Стивън Хокинг е свят накратко. Стивън Хокинг „Светът накратко

О, Стивън Хокинг вече е публикуван във Fantlab. Много неочаквано, но тъй като той е тук, не мога да мълча.

Като начало, малко за самия автор: Стивън Хокинг е най-яркият пример за твърдостта на човешкия дух. Да се ​​окажеш парализиран, лишен от възможността да говориш - какво може да бъде по-лошо от тази съдба? Но неговият дух и умът на Титан преодоляха физическата му слабост. И как спечелиха! Хокинг е един от най-умните хоракоито живеят сега на нашата планета. Ако някой има нужда от доказателство за първенството на духа над тялото, то ето го доказателството за вас. Тези, които се оплакват от дребните си проблеми или ранички, са пример за ИСТИНСКИ проблем и ИСТИНСКА физическа слабост за вас. Всъщност самият Стивън Хокинг е фантастичен. Човек-аскет, човек-мъченик, човек-символ. : моля:

За книгата: Прочетох (или по-скоро все още чета, защото нещата вървят много бавно) само една книга. Нещата е абсолютно разкошна! И като всяко шикозно нещо, това е доста рядко. Тиражът на книгата е 7000 екземпляра, така че едва ли е възможно да се намери по рафтовете на книжарниците в малките градове. Лично поръчах тази книга чрез интернет, на уебсайта www.urss.ru (модератори, моля ви да не изтривате връзката, тъй като този магазин разпространява изключително научна или научна и образователна литература, която често няма да намерите никъде друго). Отлично издание в праховинка и твърди корици върху шикозна хартия с покритие (Боже, колко различно е това от обичайната евтина и сивкава хартия!). Отличен печат, текстът не е размазан никъде. Отлични цветни рисунки, които перфектно допълват доста сложен текст, ясно показвайки хода на мисълта на автора. Като цяло за тази книга не е жалко да дадете трудно спечелените си шестстотин рубли + платете за доставка по пощата.

Що се отнася до самия текст, той е доста сложен. Но е трудно не защото авторът изразява лошо мислите си или защото злоупотребява с терминологията или ужасни формули, а защото се опитва да обясни най-сложните и интересни проблеми, които съвременната физика се бори да реши. От своя страна (тоест от страна на популяризиращия учен) Хокинг направи всичко възможно, но и читателят трябва да положи много усилия поне общо очертаниеразберете за какво говори авторът.

В тази книга, за разлика например от друг бестселър на научно-популярната литература на Брайън Грийн „Елегантната вселена”, няма глави, които да освежат паметта за физическите закони на макро- и микрокосмоса. Ако Брайън Грийн похарчи половин книга, за да подготви читателя за теорията за суперструните и единадесетизмерното измерение, в което те съществуват, Стивън Хокинг избра да хване бика за рогата и от втората глава започна да говори за формата на Времето , като по пътя напомня за основите на своята наука. Така че неподготвени хора (например като мен) понякога могат да загубят нишката на разсъжденията на автора. Наистина ли обаче авторът е виновен, че са преподавали слабо физика в училище? Тук не се изисква нищо повече от основните понятия, които учителите в училището се опитаха да ни дадат.

Бързам да зарадвам феновете на Ник Перумов! Мултивселената, около една от главите на книгата, за която Хокинг разказва, е много подобна (и как изглежда, едно към едно, дори ако обявите състезание „намерете десет разлики“) на Ordered. Така че можем да кажем, че фантазията оперира със съвременните физически теории.

Това, разбира се, не изчерпва съдържанието на книгата, а Авторът говори за абсолютно фантастични неща. Например за възможността за пътуване във времето. Или за онези много "червейни дупки", за които се говори много, но малко хора знаят.

Изводът: Ръката не се вдига, за да постави тази книга под десет точки. Пред нас е шедьовър, да, шедьовър на научно-популярната литература в областта на физиката. Освен това за веднъж шедьовърът получи достоен дизайн под формата на идеална публикация (както липсва в книгата на Брайън Грийн „Елегантната вселена“!) Всеки, който е дори малко любопитен за това кои са най-добрите умове на нашето време се бори с трябва да го прочете.

Резултат: 10

Книгата е добра, но не толкова добра като тази, която някога нашумя в научнопопулярната литература " Разказвреме".

Има много големи цветни рисунки, няма сложни формули, всичко се дъвче буквално на пръстите. Идеите са наистина много сложни и ги сложете така с прости думине винаги е възможно ... въпреки това авторът се опитва да го направи. Според мен прекомерното опростяване на материала е повредило значително книгата от гледна точка на информационното съдържание. Остават много въпроси за хората, които искат сами да стигнат до дъното на истината, така че в крайна сметка трябва да закупите допълнителна литература: Брайън Грийн, Уайнбърг, Пенроуз. Отделно бих искал да отбележа публикациите, публикувани от Amphora по теорията на относителността на Айнщайн (серията се нарича „Библиотеката на Стивън Хокинг“).

Глава 5

Защита на миналото

За това дали пътуването във времето е възможно и дали една високоразвита цивилизация, връщаща се в миналото, е способна да го промени

От Стивън Хокинг (който загуби предишния залог по въпроса, като направи претенцията недостатъчна общ изглед) остава твърдо убеден, че голите сингулярности са прокълнати и трябва да бъдат забранени от законите на класическата физика, и тъй като Джон Прескил и Кип Торн (който спечели предишния залог) все още вярват, че голите сингулярности като квантови гравитационни обекти могат да съществуват, без да бъдат скрити от horizon , в нашата видима вселена, Хокинг предложи, а Прескил / Торн прие следния залог:

Тъй като всяка форма на класическа материя или поле, неспособна да стане единична в плоското пространство-време, се подчинява на класическите уравнения на общата теория на относителността на Айнщайн, динамичната еволюция от всякакви начални условия (тоест от всеки открит набор от първоначални данни) никога не може генерира гола сингулярност (непълна нулева геодезика от I + с крайна точка в миналото).

Губещият награждава победителя с дрехи, за да може да прикрие голотата си. Облеклото трябва да бъде бродирано с подходящо за случая послание.

Стивън У. Хокинг Джон П. Прескил и Кип С. Торн
Пасадена, Калифорния, 5 февруари 1997 г

Моят приятел и колега Кип Торн, с когото направихме много залози (все още активен), не е от онези, които следват общоприетата линия във физиката, само защото всички го правят. Затова той стана първият сериозен учен, осмелил се да обсъжда пътуването във времето като практическа възможност.

Да се ​​говори открито за пътуване във времето е деликатен въпрос. Рискувате да се изгубите или от гръмки призиви да инвестирате бюджетни пари в някакъв абсурд, или от искане за класифициране на изследвания за военни цели. Всъщност как можем да се предпазим от някой, който разполага с машина на времето? В крайна сметка той е в състояние да промени самата история и да управлява света. Малко от нас са достатъчно безразсъдни, за да се заемат с въпрос, който е толкова политически некоректен сред физиците. Ние маскираме този факт с технически термини, които криптират пътуването във времето.

Основата на всички съвременни дискусии за пътуване във времето е теорията на Айнщайн за общата теория на относителността. Както се вижда в предишните глави, уравненията на Айнщайн правят пространството и времето динамични, като описват как са изкривени и изкривени от материята и енергията във Вселената. В общата теория на относителността, личното време на всеки, измерено с ръчен часовник, винаги ще се увеличава, точно както в теорията на Нютон или в плоското пространство-време на специалната теория на относителността. Но може би пространство-времето ще се завърти толкова, че ще можете да отлетите в звездолет и да се върнете преди заминаването си (фиг. 5.1).

Например, това може да се случи, ако има червеи - тръбите на пространство-времето, споменати в глава 4, които свързват различните му региони. Идеята е да насочи звездния кораб към едното устие на червейната дупка и да излезе от другото на съвсем различно място и време (Фигура 5.2).

Червеевите дупки, ако съществуват, биха могли да решат проблема с ограничаването на скоростта в пространството: според теорията на относителността са необходими десетки хиляди години, за да се пресече галактиката. Но през дупка на червей можете да летите до другата страна на галактиката и да се върнете обратно по време на вечеря. Междувременно е лесно да се покаже, че ако съществуват червеи, те могат да бъдат използвани, за да се окажат в миналото.

Така че си струва да помислите какво ще се случи, ако можете например да взривите ракетата си на стартовата площадка, за да предотвратите собствения си полет. Това е вариант на известния парадокс: Какво се случва, ако пътувате назад във времето и убиете собствения си дядо, преди той да успее да зачене баща ви (Фигура 5.3)?

Разбира се, парадоксът тук се получава само ако приемем, че веднъж в миналото можете да правите каквото искате. Тази книга не е мястото за философски дискусии относно свободната воля. Вместо това ще се съсредоточим върху това дали законите на физиката позволяват на пространството и времето да се усуква, така че макроскопично тяло като космически кораб да може да се върне в миналото си. Според теорията на Айнщайн, космическият кораб винаги се движи със скорост, която е по-малка от локалната скорост на светлината в пространство-времето, и следва така наречената времеподобна световна линия. Това ви позволява да преформулирате въпроса в технически термини: може ли да има затворени времеподобни криви в пространство-времето, тоест такива, които се връщат отново и отново в началната си точка? Ще нарека такива траектории „временни с mi цикли".

Можете да търсите отговора на поставения въпрос на три нива. Първото е нивото на общата теория на относителността на Айнщайн, което предполага, че Вселената има добре дефинирана история без никаква несигурност. За тази класическа теория имаме пълна картина. Въпреки това, както видяхме, подобна теория не може да бъде напълно точна, тъй като според наблюденията материята е подложена на влиянието на несигурност и квантови флуктуации.

Следователно може да се постави въпросът за пътуването във времето на второ ниво – за случая с полукласическите теории. Сега разглеждаме поведението на материята според квантовата теория с несигурности и квантови флуктуации, но считаме пространство-времето за добре дефинирано и класическо. Тази картина не е толкова пълна, но поне дава някаква представа как да продължите.

И накрая, има подход от гледна точка на пълна квантова теория на гравитацията, каквато и да се окаже. В тази теория, където не само материята, но и самото време и пространство са обект на несигурност и флуктуации, не е напълно ясно дори как да се повдигне въпросът за възможността за пътуване във времето. Може би най-доброто нещо, което трябва да направите, е да помолите хората в области, където пространство-времето е почти класическо и без неясноти, да интерпретират своите измервания. Ще им се струва ли, че пътуването във времето се случва в региони със силна гравитация и големи квантови флуктуации?

Нека започнем с класическата теория: плоското пространство-време на специалната теория на относителността (без гравитацията) не позволява пътуване във времето, това също е невъзможно в онези извити версии на пространство-време, които бяха изследвани в началото. Айнщайн беше буквално шокиран, когато през 1949 г. Курт Гьодел, този, който доказа известната теорема на Гьодел, открива, че пространство-времето във вселена, напълно пълна с въртяща се материя, има време втата линия във всяка точка (фиг. 5.4).

Решението на Гьодел изисква въвеждането на космологична константа, която може да не съществува в действителност, но по-късно подобни решения бяха намерени без космологичната константа. Особено интересен случай е, когато две космически струни се движат една покрай друга с висока скорост.

Космическите струни не трябва да се бъркат с елементарните обекти на теорията на струните, с които те са напълно несвързани. Такива предмети имат разширение, но в същото време имат малко напречно сечение. Съществуването им е предсказано в някои теории за елементарните частици. Пространството и времето извън една космическа струна е плоско. Въпреки това, това плоско пространство-време има клиновиден прорез, чийто връх лежи точно върху струната. Прилича на конус: вземете голям кръгот хартия и изрежете от нея сектор, подобен на парче пай, чийто връх се намира в центъра на кръга. След като извадите изрязаното парче, залепете ръбовете на разреза към останалата част, за да оформите конус. Той изобразява пространство-времето, в което съществува космическата струна (фиг. 5.5).

Забележете, че тъй като повърхността на конуса е същото плоско парче хартия, с което започнахме (без изтрития сектор), тя все още може да се счита за плоска с изключение на горната част. Наличието на кривина във върха може да се установи по факта, че кръговете, описани около него, имат по-малка дължина от кръговете, които са на същото разстояние от центъра на оригиналния кръгъл лист хартия. С други думи, кръгът около върха е по-къс от кръг със същия радиус в плоско пространство трябва да се дължи на липсващия сектор (Фигура 5.6).

По същия начин, сектор, отстранен от плоското пространство-време, скъсява кръговете около космическата струна, но не влияе на времето или разстоянието по нея. Това означава, че пространство-времето около отделна космическа струна не съдържа време. с x цикли и следователно пътуването в миналото не е възможно. Въпреки това, ако има втора космическа струна, която се движи спрямо първата, нейната времева посока ще бъде комбинация от времето и пространствените промени на първата. Това означава, че секторът, който се отрязва от втората струна, ще съкрати както разстоянията в пространството, така и интервалите от време за наблюдател, който се движи с първата струна (фиг. 5.7). Ако струните се движат една спрямо друга със скорост, близка до светлината, намаляването на времето за преминаване на двете струни може да бъде толкова значително, че ще се върнете по-рано, отколкото сте започнали. С други думи, има временни селектронни бримки, по които можете да пътувате в миналото.

Космическите струни съдържат материя с положителна енергийна плътност, която е съвместима с познатата днес физика. Въпреки това, изкривяването на пространството, което поражда времеви с e цикли, простира се до самата безкрайност в пространството и до безкрайното минало във времето. Така че подобни структури на пространство-времето първоначално, чрез конструкция, позволяват възможността за пътуване във времето. Няма причина да вярваме, че нашата собствена вселена е скроена по такъв извратен начин, нямаме надеждни доказателства за появата на гости от бъдещето. (Не вземам предвид теориите на конспирацията, че НЛО идват от бъдещето и правителството знае за това, но крие истината. с x циклите не са били в далечното минало, или по-точно, в миналото по отношение на някаква повърхност в пространство-времето, което ще обознача С... Въпросът е: може ли една високоразвита цивилизация да построи машина на времето? Тоест може ли да промени пространство-времето в бъдеще по отношение на С(над повърхността Сна диаграмата), така че бримките да се появяват само в областта на крайния размер? Говоря за краен регион, защото без значение колко напреднала е една цивилизация, изглежда, че може да контролира само ограничена част от Вселената. В науката правилното формулиране на проблем често означава намиране на ключа към неговото решение и случаят, който разглеждаме, е добра илюстрация за това. За дефиниция на крайна машина на времето ще се обърна към една от моите стари произведения. Пътуването във времето е възможно в определена област от пространство-времето, където има време с e loops, тоест траектории с субсветна скорост на движение, които въпреки това успяват да се върнат на първоначалното си място и време поради кривината на пространство-времето. Тъй като предположих, че в далечното минало време с x нямаше цикли, трябва да има това, което аз наричам "хоризонт на пътуване във времето" - границата, която разделя областта, съдържаща времето с e бримки, от областта, където те не са (фиг.5.8).

Хоризонтът за пътуване във времето е доста подобен на хоризонта на черна дупка. Докато последният се формира от лъчи светлина, на които липсва и най-малката част, за да оставят черна дупка, хоризонтът за пътуване във времето се задава от лъчи, които са на ръба да се срещнат. Освен това ще разгледам наличието на така наречения ограничено генериран хоризонт като критерий на машината на времето, тоест образуван от светлинни лъчи, които се излъчват от зона с ограничен размер. С други думи, те не трябва да идват от безкрайност или сингулярност, а само от краен регион, съдържащ време впримка, област, която предполагаме, че нашата високо развита цивилизация ще може да създаде.

С приемането на такъв критерий за машина на времето има прекрасна възможност да използваме методите, които Роджър Пенроуз и аз разработихме за изследване на сингулярности и черни дупки. Без дори да използвам уравненията на Айнщайн, мога да покажа, че като цяло един ограничено генериран хоризонт ще съдържа лъчи светлина, които се срещат, продължавайки да се връщат към една и съща точка отново и отново. Докато правите кръга, светлината ще изпитва все повече и повече синьо изместване всеки път и изображенията ще стават все по-сини и сини. Гърбиците на вълните в лъча ще започнат да се приближават все повече и повече, а интервалите, през които се връща светлината, ще стават все по-къси. Всъщност частица светлина ще има крайна история, ако се гледа навреме, въпреки че реже кръгове в ограничен регион и не удря единствената точка на кривина.

Фактът, че частица светлина ще изчерпи своята история за крайно време, може да изглежда незначителен. Но мога да докажа и възможността за съществуване на световни линии, скоростта на движение по които е по-малка от скоростта на светлината, а продължителността е крайна. Това може да са историите на наблюдатели, които са уловени в ограничен регион пред хоризонта и се движат кръг след кръг все по-бързо и по-бързо, докато достигнат скоростта на светлината за крайно време. Така че, ако красиво извънземно летяща чиния ви покани в своята машина на времето, бъдете внимателни. Можете да попаднете в капана на повтарящи се истории с ограничена обща дължина (Фигура 5.9).

Тези резултати не зависят от уравнението на Айнщайн, а само от това как се усуква пространство-времето, за да се получи времето О 1-ви цикъл в крайната област. Но все пак какъв материал би могла да използва една високоразвита цивилизация, за да построи машина на времето с крайни измерения? Може ли навсякъде да има положителна енергийна плътност, какъвто е случаят с пространство-времето на космическата струна, описана по-горе? Космическата струна не удовлетворява моето изискване, че временната с e loops се появиха само в областта на терминала. Но някой би си помислил, че това се дължи само на факта, че струните са с безкрайна дължина. Някой може да се надява да построи крайна машина на времето, използвайки крайни контури от космически струни, които имат положителна енергийна плътност навсякъде. Жалко е да разочароваме хората, които като Кип искат да се върнат назад във времето, но това не може да стане с положителна енергийна плътност навсякъде. Мога да докажа, че имате нужда от отрицателна енергия, за да построите крайна машина на времето.

В класическата теория плътността на енергията винаги е положителна, така че съществуването на крайна машина на времето на това ниво е изключено. Но ситуацията се променя в полукласическата теория, където поведението на материята се разглежда в съответствие с квантовата теория, а пространство-времето се счита за добре дефинирано, класическо. Както видяхме, принципът на неопределеността в квантовата теория означава, че полетата винаги се колебаят нагоре и надолу, дори в привидно празно пространство и имат безкрайна енергийна плътност. В крайна сметка, само като извадим безкрайна стойност, получаваме крайната енергийна плътност, която наблюдаваме във Вселената. Това изваждане може да даде и отрицателна енергийна плътност, поне локално. Дори в плоско пространство могат да се намерят квантови състояния, в които плътността на енергията е локално отрицателна, въпреки че обща енергияположителен. Чудя се дали тези отрицателни стойности всъщност карат пространство-времето да се деформира по такъв начин, че да се появи крайна машина на времето? Изглежда, че те трябва да доведат до това. Както можете да видите от глава 4, квантовите флуктуации означават, че дори привидно празно пространство е изпълнено с двойки виртуални частици, които се появяват заедно, разпръскват се и след това отново се сближават и анихилират една с друга (Фигура 5.10). Един от елементите на виртуалната двойка ще има положителна енергия, докато другият ще има отрицателна енергия. При наличието на черна дупка върху нея може да падне частица с отрицателна енергия, а частица с положителна енергия може да отлети до безкрайност, където ще изглежда като излъчване, което отнася положителна енергия от черната дупка. А частиците с отрицателна енергия, попадайки в черна дупка, ще доведат до намаляване на нейната маса и бавно изпаряване, придружено от намаляване на размера на хоризонта (фиг. 5.11).

Обикновената материя с положителна енергийна плътност генерира привлекателна гравитационна сила и огъва пространство-времето, така че лъчите да се обръщат един към друг, точно както топката върху гуменото платно от Глава 2 винаги увива малка топка към себе си и никога настрани.

От това следва, че площта на хоризонта на черната дупка само се увеличава с времето и никога не намалява. За да намалее хоризонтът на черна дупка, плътността на енергията на хоризонта трябва да бъде отрицателна, а пространство-времето трябва да предизвика разминаване на лъчите на светлината. За първи път осъзнах това веднъж, като си легнах, малко след раждането на дъщеря ми. Няма да кажа точно колко време беше, но сега вече имам внуче.

Изпаряването на черните дупки показва, че на квантово ниво плътността на енергията понякога може да бъде отрицателна и да изкриви пространството-времето в посоката, която би била необходима за изграждането на машина на времето. Така че може да си представим цивилизация, която е на толкова висок етап на развитие, че е в състояние да постигне достатъчно голяма отрицателна енергийна плътност, за да получи машина на времето, която би била подходяща за макроскопични обекти като Космически кораби... Въпреки това, има значителна разлика между хоризонта на черна дупка, която се образува от лъчи светлина, които просто продължават да се движат, и хоризонта в машина на времето, която съдържа затворени лъчи светлина, които продължават да се въртят в кръгове. Една виртуална частица, движеща се от време на време по такъв затворен път, ще доведе енергията си на основно състояние до същата точка. Следователно трябва да се очаква, че на хоризонта, тоест на границата на машината на времето – регион, в който може да се пътува в миналото – плътността на енергията ще бъде безкрайна. Това се потвърждава от прецизни изчисления в редица специални случаи, които са достатъчно прости, за да се получи точно решение. Оказва се, че човек или космическа сонда, които се опитват да пресекат хоризонта и да попаднат в машината на времето, ще бъдат напълно унищожени от радиационната завеса (фиг. 5.12). Така че бъдещето на пътуването във времето изглежда доста мрачно (или трябва да кажа „ослепително ярко“?).

Енергийната плътност на веществото зависи от състоянието, в което се намира, така че може би една високо развита цивилизация ще може да направи енергийната плътност на границата на машината на времето крайна, „замразявайки“ или премахвайки виртуални частици, които се движат наоколо и наоколо в затворен цикъл. Въпреки това, няма сигурност, че такава машина на времето ще бъде стабилна: и най-малкото смущение, например, някой, който пресича хоризонта, за да влезе в машината на времето, може да започне циркулацията на виртуални частици и да причини изпепеляваща мълния. Физиците трябва да обсъждат този въпрос свободно, без страх от презрителна подигравка. Дори да се окаже, че пътуването във времето е невъзможно, ще разберем защо е невъзможно, а това е важно.

За да отговорим категорично на обсъждания въпрос, трябва да разгледаме квантовите флуктуации не само на материалните полета, но и на самото пространство-време. Може да се очаква, че това ще предизвика известно замъгляване в пътищата на светлинните лъчи и като цяло в принципа на хронологичното подреждане. Всъщност радиацията от черна дупка може да се разглежда като теч, причинен от квантови флуктуации в пространство-времето, които показват, че хоризонтът не е съвсем точно определен. Тъй като все още нямаме готова теория на квантовата гравитация, е трудно да се каже какъв трябва да бъде ефектът от пространствено-времеви флуктуации. Независимо от това, можем да се надяваме да получим някои улики от обобщението на Файнман, описано в глава 3.

Всяка история ще бъде извито пространство-време с материални полета в него. Тъй като ще обобщим всички възможни истории, а не само тези, които удовлетворяват някои уравнения, сумата трябва да включва онези времена-пространства, които са достатъчно усукани, за да пътуват назад във времето (Фигура 5.13). Тогава възниква въпросът: защо такова пътуване не се случва навсякъде? Отговорът е, че пътуването във времето всъщност се осъществява в микроскопичен мащаб, но ние не го забелязваме. Ако приложим идеята на Файнман за сумиране върху историите към една частица, тогава трябва да включим истории, в които тя се движи по-бързо от светлината и дори назад във времето. По-специално, ще има истории, в които частицата се движи кръг по кръг в затворен цикъл във времето и пространството. Както във филма „Ден на сурка“, където репортерът живее един и същи ден отново и отново (фиг. 5. 14).

Частици с такава затворена история не могат да се наблюдават в ускорителите. Въпреки това, техните странични ефекти могат да бъдат измерени чрез наблюдение на редица експериментални ефекти. Едното е леко изместване на излъчването на водородни атоми, което се причинява от електрони, движещи се в затворени контури. Друга, малката сила между успоредни метални плочи и причинена от факта, че има малко по-малко затворени контури между тях, отколкото във външните области, е друга еквивалентна интерпретация на ефекта на Казимир. По този начин съществуването на истории, затворени в цикъл, се потвърждава чрез експеримент (фиг. 5.15).

Спорно е дали подобни примкови истории на частици имат нещо общо с кривината на пространство-времето, тъй като те възникват дори на такъв постоянен фон като плоското пространство. Но в последните годининие открихме, че физическите явления често имат еднакво правилни двойни описания. С еднаква причина можем да кажем, че частиците се движат в затворени контури на непроменен фон или че остават неподвижни, докато пространство-времето се колебае около тях. Това се свежда до въпроса: искате ли първо да сумирате траектории на частици и след това по извити времена-пространства или обратно?

По този начин изглежда, че квантовата теория позволява пътуване във времето в микроскопичен мащаб. Но за научнофантастични цели, като летене назад във времето и убийство на дядо си, това е от малка полза. Следователно остава въпросът: може ли вероятността, когато се сумира върху историите, да достигне максимум в пространства-времена с макроскопични времеви цикли?

Този проблем може да бъде изследван чрез разглеждане на сумите за историята на материалните полета върху последователност от фоново пространство-време, които се доближават все повече и повече до допускане на времеви цикли. Би било естествено да се очаква, че в момент, когато времето аЗавъртам за първи път, нещо значимо предстои да се случи. И така се случи в прост примеркойто изучавах с моя ученик Майкъл Касиди.

Фоновото пространство-време, което изучавахме, беше тясно свързано с така наречената Вселена на Айнщайн, пространство-времето, което Айнщайн предложи, когато все още вярваше, че Вселената е статична и непроменяща се във времето, не се разширява или свива (вижте Глава 1). .. Във вселената на Айнщайн времето преминава от безкрайно минало към безкрайно бъдеще. Но пространствените измерения са крайни и затворени в себе си, като повърхността на Земята, но само с броя на измеренията още едно. Такова пространство-време може да се изобрази като цилиндър, чиято надлъжна ос ще бъде времето, а разрезът ще бъде пространство с три измерения (фиг. 5.16).

Тъй като вселената на Айнщайн не се разширява, тя не съответства на вселената, в която живеем. Въпреки това, това е удобна рамка за обсъждане на пътуване във времето, защото е достатъчно проста за обобщаване на истории. Да забравим за момент за пътуването във времето и да разгледаме материята във вселената на Айнщайн, която се върти около ос. Ако се окажете на тази ос, ще останете в същата точка от пространството, сякаш стоите в центъра на детска въртележка. Но, като сте разположени отстрани на оста, вие ще се движите в пространството около нея. Колкото по-далече от оста, толкова по-бързо ще бъде вашето движение (фиг. 5.17). Така че, ако Вселената е безкрайна в пространството, точките, достатъчно далеч от оста, ще се въртят със свръхсветлинна скорост. Но тъй като вселената на Айнщайн е ограничена в пространствените измерения, има критична скорост на въртене, при която никоя част от нея няма да се върти по-бързо от светлината.

Сега помислете за сумата от историята на частица във въртящата се вселена на Айнщайн. Когато въртенето е бавно, има много пътища, които частицата може да измине за дадено количество енергия. Следователно сумирането на всички истории на частиците на такъв фон дава голяма амплитуда. Това означава, че вероятността за такъв фон, когато се сумира върху всички истории на извито пространство-време, ще бъде висока, тоест е сред по-вероятните истории. Въпреки това, тъй като скоростта на въртене на Вселената на Айнщайн се приближава до критична точка и скоростта на движение на външните й области клони към скоростта на светлината, тя остава единствения начинкоето е допустимо и m за класически частици на ръба на Вселената, а именно движение със скоростта на светлината. Това означава, че сумата от историята на частиците ще бъде малка, което означава, че вероятностите за такова пространство-време с x фонове общо във всички извити истории на пространство-времето ще се окажат ниски. Тоест те ще бъдат най-малко вероятни.

Но каква е връзката между пътуването във времето и пътуването във времето? с m цикъла имат въртящите се вселени на Айнщайн? Отговорът е, че те са математически еквивалентни на други среди, в които са възможни времеви цикли. Тези други фонове са вселени, които се разширяват в две пространствени посоки. Такива вселени не се разширяват в трето измерение, което е периодично. Тоест, ако изминеш известно разстояние в тази посока, ще се окажеш откъдето си тръгнал. Въпреки това, с всеки кръг в тази посока, вашата скорост в първата и втората посока ще се увеличава (Фигура 5.18).

Ако ускорението е малко, тогава времето с x цикли не съществуват. Помислете обаче за последователност от фонове с всички b Опо-големи скорости. Времеви цикли се появяват при определена критична стойност на ускорението. Не е изненадващо, че това критично ускорение съответства на критичната скорост на въртене на вселените на Айнщайн. Тъй като изчисляването на сумата за историите и на двата фона е математически еквивалентно, можем да заключим, че вероятността за такива фонове клони към нула, когато се приближаваме до кривината, необходима за получаване на времеви цикли. С други думи, вероятността за деформация, достатъчна за машина на времето, е нула. Това потвърждава това, което наричам хипотеза за защита на хронологията: законите на физиката са проектирани по такъв начин, че не позволяват на макроскопичните обекти да се движат във времето.

Макар и временно сАко циклите са разрешени, когато се сумират върху историите, техните вероятности са изключително ниски. Въз основа на споменатите по-горе отношения на дуалност, аз оцених вероятността Кип Торн да се върне назад във времето и да убие дядо си: оказа се, че е по-малко от едно към десет в степента на трилион трилион трилиона трилиона трилиона.

Това е просто изненадващо малка вероятност, но ако се вгледате внимателно в снимката на Кип, ще забележите лека мъгла около краищата. Това съответства на изчезващо малката вероятност някой мошеник от бъдещето да пътува в миналото и да убие дядо си и следователно Кип всъщност не е тук.

Като комарджии, Кип и аз бихме искали да заложим на аномалия като тази. Проблемът обаче е, че не можем да направим това, защото сега сме на същото мнение. И няма да залагам с никой друг. Ами ако се окаже извънземен от бъдещето, знаейки, че пътуването във времето е възможно?

Мислите ли, че тази глава е написана по нареждане на правителството, за да замъгли реалността на пътуването във времето? Може би си прав.

Световната линия е път в четириизмерното пространство-време. Времеподобните световни линии съчетават движението в пространството с естественото движение напред във времето. Само по тези линии могат да следват материалните обекти.

Краен - с крайни размери.

Един от най-брилянтните учени на нашето време, известен не само със смелостта на идеите, но и с яснотата и остроумието в тяхното изразяване, Хокинг ни отвежда в челните редици на изследванията, където истината изглежда по-странна от измислицата, за да обясни с прости думи принципите, които управляват Вселената.

Прекрасните цветни илюстрации служат като крайъгълен камък за нас в това пътуване през страната на чудесата, където частиците, мембраните и струните се движат в единадесет измерения, където черните дупки се изпаряват и където космическото семе, от което е израснала нашата вселена, е мъничък орех.

Стивън Хоукинг
Един свят накратко

Предговор

Не очаквах, че моята научнопопулярна книга „Кратка история на времето“ ще бъде толкова успешна. Тя продължи повече от четири години в списъка с бестселъри на Sunday Times - по-дълго от всяка друга книга, което е особено изненадващо за научно издание, тъй като обикновено не се разпродават много бързо. Тогава хората започнаха да питат кога да очакват да продължат. Съпротивлявах се, не исках да напиша нещо като „Продължение на една кратка история” или „Още малко дълга история"И аз също бях зает с изследвания. Но постепенно стана ясно, че можете да напишете друга книга, която има шанс да бъде по-лесна за разбиране." Кратка история на времето "е изградена по линейна схема: в повечето случаи , всяка следваща глава е логично свързана с предишната. Някои читатели я харесаха, но други се забиха в първите глави и така и не стигнаха до по-интересни теми. от които се разклоняват клонове на останалите глави.

Тези „издънки“ са до голяма степен независими една от друга и, след като получи представа за „ствола“, читателят може да се запознае с тях във всякакъв ред. Те се отнасят до области, в които съм работил или за които съм мислил след публикуването на Кратка история на времето. Тоест те показват най-активно развиващите се области съвременни изследвания... Във всяка глава също се опитвах да се измъкна линейна структура... Илюстрациите и надписите предоставят на читателя алтернативен маршрут, както в The Illustrated Brief History of Time, публикувана през 1996 г. Кутиите и бележките в полето позволяват на някои теми да навлизат по-дълбоко, отколкото е възможно в основния текст.

През 1988 г., когато „Кратка история на времето“ беше публикувана за първи път, впечатлението беше такова окончателна теорияЕдва се очертаваше на хоризонта. Колко се е променила ситуацията оттогава? Приближаваме ли се до целта си? Както ще научите в тази книга, напредъкът е огромен. Но пътуването продължава, без да се вижда край. Както се казва, по-добре е да продължим пътя с надежда, отколкото да стигнем до целта. Нашите търсения и открития подхранват творчеството във всички области, не само в науката. Стигнем ли до края на пътя, човешкият дух изсъхва и умира. Но не мисля, че някога ще спрем: ще се движим, ако не в дълбочина, то в посока на усложняване, винаги оставайки в центъра на разширяващ се хоризонт от възможности.

Имах много помощници в работата по тази книга. Бих искал особено да благодаря на Томас Хертог и Нийл Шиърър за помощта им с чертежи, надписи и странични ленти, Ан Харис и Кити Фъргюсън, които редактираха ръкописа (или по-точно компютърните файлове, тъй като всичко, което пиша, се появява в електронен вид). Philip Dunn от Book Laboratory и Moonrunner Design, който създаде илюстрациите. Но също така искам да благодаря на всички, които ми дадоха възможност да водя нормален живот и практика научно изследване... Тази книга нямаше да бъде написана без тях.

Глава 1
Кратка история на относителността

Как Айнщайн положи основите

две фундаментални теории на ХХ век:

обща теория на относителността и квантова механика

Алберт Айнщайн, създателят на специалната и общата теория на относителността, е роден през 1879 г. в германския град Улм, по-късно семейството се премества в Мюнхен, където бащата на бъдещия учен Херман и чичо му Джейкъб имат малък и не много успешна електротехническа компания. Алберт не беше дете-чудо, но твърденията, че не се справя добре в училище, изглеждат преувеличени. През 1894 г. бизнесът на баща му фалира и семейството се мести в Милано. Родителите му решават да оставят Алберт в Германия до завършване, но той не издържа на немския авторитаризъм и няколко месеца по-късно напуска училище, заминавайки за Италия, за да живее със семейството си. По-късно завършва образованието си в Цюрих, като през 1900 г. получава диплома от престижния Политехнически институт ( Е idgenössische т echnische Х ochschule - Висше техническо училище). Склонността на Айнщайн към спорове и неприязън към началниците му му попречиха да установи отношения с преподаватели по ETH, така че никой от тях не му предложи асистентската позиция, с която обикновено започва академичната кариера. Само две години по-късно младежът най-накрая успява да си намери работа като младши чиновник в Швейцарското патентно ведомство в Берн. През този период, през 1905 г., той написва три статии, които не само превръщат Айнщайн в един от водещите учени в света, но и поставят началото на две научни революции – революции, които променят нашето разбиране за времето, пространството и самата реалност.

ДА СЕ края на XIXвекове учените вярвали, че са се доближили до изчерпателно описание на Вселената. Според тях пространството е било изпълнено с непрекъсната среда - "етер". Светлинните лъчи и радиосигналите се считат за вълни от етер, точно както звукът е вълни с плътност на въздуха. Всичко, което беше необходимо за завършване на теорията, беше внимателното измерване на еластичните свойства на етера. Имайки предвид тази задача, лабораторията на Джеферсън в Харвардския университет е построена без нито един железен пирон, за да се избегнат възможни смущения в най-фините магнитни измервания. Дизайнерите обаче забравиха, че червеникаво-кафявата тухла, използвана при изграждането на лабораторията и повечето от другите сгради в Харвард, съдържа значително количество желязо. Сградата служи и до днес, но в Харвард не знаят колко тежест могат да издържат таваните на библиотеките, които не съдържат железни пирони.

Към края на века концепцията за всепроникващия етер започва да среща трудности. Очакваше се светлината да пътува през етера с фиксирана скорост, но ако вие самият се движите през етера в същата посока като светлината, скоростта на светлината трябва да изглежда по-бавна, а ако се движите в обратна посока, скоростта на светлината ще бъде по-голяма (фиг.1.1).

Стивън Хоукинг

Един свят накратко

Предговор

Не очаквах, че моята научнопопулярна книга „Кратка история на времето“ ще бъде толкова успешна. Тя продължи повече от четири години в списъка с бестселъри на Sunday Times - по-дълго от всяка друга книга, което е особено изненадващо за научно издание, тъй като обикновено не се разпродават много бързо. Тогава хората започнаха да питат кога да очакват да продължат. Съпротивлявах се, не исках да напиша нещо като „Продължение на кратка история“ или „Малко по-дълга история на времето“. Бях зает и с изследвания. Но постепенно стана ясно, че е възможно да се напише друга книга, която има шанс да бъде по-лесна за разбиране. Кратка история на времето е структурирана по линеен начин: в повечето случаи всяка следваща глава е логически свързана с предходните. Някои читатели го харесаха, но други, останали в ранните глави, така и не стигнаха до по-интересни теми. Тази книга е структурирана по различен начин – по-скоро прилича на дърво: Глави 1 и 2 образуват ствола, от който се разклоняват останалите глави.

Тези "клонове" са до голяма степен независими един от друг и, след като получи представа за "ствола", читателят може да се запознае с тях във всякакъв ред. Те се отнасят до области, в които съм работил или за които съм мислил след публикуването на Кратка история на времето. Тоест те отразяват най-активно развиващите се области на съвременните изследвания. Във всяка глава също се опитвах да се измъкна от линейната структура. Илюстрациите и надписите предоставят на читателя алтернативен маршрут, както в The Illustrated Brief History of Time, публикувана през 1996 г. Кутиите и бележките в полето позволяват на някои теми да навлизат по-дълбоко, отколкото е възможно в основния текст.

През 1988 г., когато за първи път беше публикувана „Кратка история на времето“, впечатлението беше, че окончателна теория на всичко едва ли е на хоризонта. Колко се е променила ситуацията оттогава? Приближаваме ли се до целта си? Както ще научите в тази книга, напредъкът е огромен. Но пътуването продължава, без да се вижда край. Както се казва, по-добре е да продължим пътя с надежда, отколкото да стигнем до целта. Нашите търсения и открития подхранват творчеството във всички области, не само в науката. Стигнем ли до края на пътя, човешкият дух изсъхва и умира. Но не мисля, че някога ще спрем: ще се движим ако не в дълбочина, то в посока на усложняване, винаги оставайки в центъра на разширяващ се хоризонт от възможности.

Имах много помощници в работата по тази книга. Бих искал особено да благодаря на Томас Хертог и Нийл Шиърър за помощта им с чертежи, надписи и странични ленти, Ан Харис и Кити Фъргюсън, които редактираха ръкописа (или по-точно компютърните файлове, тъй като всичко, което пиша, се появява в електронен вид). Philip Dunn от Book Laboratory и Moonrunner Design, който създаде илюстрациите. Но също така искам да благодаря на всички, които ми дадоха възможност да водя нормален живот и да правя научни изследвания. Тази книга нямаше да бъде написана без тях.

Кратка история на относителността

Как Айнщайн положи основите

две фундаментални теории на ХХ век:

обща теория на относителността и квантова механика

Алберт Айнщайн, създателят на специалната и общата теория на относителността, е роден през 1879 г. в германския град Улм, по-късно семейството се премества в Мюнхен, където бащата на бъдещия учен Херман и чичо му Джейкъб имат малък и не много успешна електротехническа компания. Алберт не беше дете-чудо, но твърденията, че не се справя добре в училище, изглеждат преувеличени. През 1894 г. бизнесът на баща му фалира и семейството се мести в Милано. Родителите му решават да оставят Алберт в Германия до завършване, но той не издържа на немския авторитаризъм и няколко месеца по-късно напуска училище, заминавайки за Италия, за да живее със семейството си. По-късно завършва образованието си в Цюрих, като през 1900 г. получава диплома от престижния Политехнически институт ( Е idgenössische т echnische Х ochschule - Висше техническо училище). Склонността на Айнщайн към спорове и неприязън към началниците му му попречиха да установи отношения с преподаватели по ETH, така че никой от тях не му предложи асистентската позиция, с която обикновено започва академичната кариера. Само две години по-късно младежът най-накрая успява да си намери работа като младши чиновник в Швейцарското патентно ведомство в Берн. През този период, през 1905 г., той написва три статии, които не само превръщат Айнщайн в един от водещите учени в света, но и поставят началото на две научни революции – революции, които променят нашето разбиране за времето, пространството и самата реалност.

До края на 19-ти век учените вярват, че са се доближили до изчерпателно описание на Вселената. Според техните идеи пространството е било изпълнено с непрекъсната среда - "етер". Светлинните лъчи и радиосигналите се считат за вълни от етер, точно както звукът е вълни с плътност на въздуха. Всичко, което беше необходимо за завършване на теорията, беше внимателното измерване на еластичните свойства на етера. Имайки предвид тази задача, лабораторията на Джеферсън в Харвардския университет е построена без нито един железен пирон, за да се избегнат възможни смущения в най-фините магнитни измервания. Дизайнерите обаче забравиха, че червеникаво-кафявата тухла, използвана при изграждането на лабораторията и повечето от другите сгради в Харвард, съдържа значително количество желязо. Сградата служи и до днес, но в Харвард не знаят колко тежест могат да издържат таваните на библиотеките, които не съдържат железни пирони.

Към края на века концепцията за всепроникващия етер започва да среща трудности. Очакваше се светлината да пътува през етера с фиксирана скорост, но ако вие самият се движите през етера в същата посока като светлината, скоростта на светлината трябва да изглежда по-бавна, а ако се движите в обратна посока, скоростта на светлината ще бъде по-голяма (фиг.1.1).

Ориз. 1.1 Теория на стационарния етер

Ако светлината беше вълна в еластична субстанция, наречена етер, нейната скорост би изглеждала по-висока за някой, който се движи в космически кораб към него (а), и по-ниска за някой, който се движи в същата посока като светлината (b).

В редица експерименти обаче тези идеи не са потвърдени. Най-точният и правилен от тях е извършен през 1887 г. от Албърт Майкълсън и Едуард Морли в Case School of Applied Sciences, Кливланд, Охайо. Те сравняват скоростта на светлината в два лъча, пътуващи под прав ъгъл един спрямо друг. Тъй като Земята се върти около оста си и се върти около Слънцето, скоростта и посоката на движение на оборудването през етера се променят (фиг. 1.2). Но Майкълсън и Морли не откриха никакви дневни или годишни разлики в скоростта на светлината в двата лъча. Оказа се, че светлината винаги се движи спрямо вас с една и съща скорост, независимо колко бързо и в каква посока се движите вие ​​самите (фиг. 1.3).

Ориз. 1.2

Не са открити разлики между скоростта на светлината в посоката на орбитата на Земята и скоростта на светлината в перпендикулярна посока.

Въз основа на експеримента на Майкълсън-Морли, ирландският физик Джордж Фицджералд и холандският физик Хендрик Лоренц предполагат, че телата, движещи се през етера, трябва да се свиват, а часовниците да се забавят. Това компресиране и забавяне е такова, че хората винаги ще получават една и съща скорост на светлината при измервания, независимо от това как се движат спрямо етера. (Фицджералд и Лоренц все още смятат етера за истинска субстанция.) Въпреки това, в статия, написана през юни 1905 г., Айнщайн отбелязва, че ако никой не може да определи дали се движи през етера или не, тогава самото понятие за етер става излишно . Вместо това той започна с постулата, че законите на физиката трябва да са еднакви за всички свободно движещи се наблюдатели. По-специално, всички те, измервайки скоростта на светлината, трябва да получат една и съща стойност, независимо колко бързо се движат. Скоростта на светлината не зависи от техните движения и е еднаква във всички посоки.

През 1988 г. книгата на Стивън Хокинг „Кратка история на времето“, която чупи рекорди по продажби, запозна читателите по целия свят с идеите на този забележителен физик-теоретик. И ето още една голяма работа: Хокинг се завръща! Превъзходно илюстрирано продължение - "Светът накратко" - разкрива същността на научни откритиякоито са направени след публикуването на първата му широко призната книга.

Един от най-брилянтните учени на нашето време, известен не само със смелостта на идеите, но и с яснотата и остроумието в тяхното изразяване, Хокинг ни отвежда в челните редици на изследванията, където истината изглежда по-странна от измислицата, за да обясни с прости думи принципите, които управляват Вселената.

Подобно на много физици-теорети, Хокинг нетърпеливо търси Светия Граал на науката – Теорията на всичко, която лежи в основата на космоса. Позволява ни да се докоснем до мистериите на Вселената: от супергравитация до суперсиметрия, от квантова теория до М-теория, от холография до дуалности. Заедно с него се впускаме във вълнуващо приключение, когато той говори за опити за създаване, базирана на общата теория на относителността на Айнщайн и идеята за множество истории, изтъкнати от Ричард Файнман, пълна единна теория, която ще опише всичко, което се случва във Вселената.

Ние го придружаваме в необикновено пътешествие през пространство-времето, а великолепните цветни илюстрации служат като крайъгълен камък в това пътуване през сюрреалистична Страна на чудесата, където частиците, мембраните и струните се движат в единадесет измерения, където черните дупки се изпаряват, вземайки своите тайни със себе си и където космическото семе, от което израсна нашата вселена, беше мъничко орехче.

СТИВЪН ХОУКИНГ
Вселената накратко
Превод от английски от A.G. Сергеев
Публикацията е изготвена с подкрепата на фондация "Династия" на Дмитрий Зимин
SPb: Амфора. ТИД Амфора, 2007 .-- 218 с.

Глава 5. Защита на миналото

За това дали пътуването във времето е възможно и дали една високоразвита цивилизация, връщаща се в миналото, е способна да го промени

Тъй като Стивън Хокинг (който загуби предишния залог по този въпрос, излагайки изискванията по недостатъчно общ начин) остава твърдо убеден, че голите сингулярности са прокълнати и трябва да бъдат забранени от законите на класическата физика, и тъй като Джон Прескил и Кип Торн (които спечели предишния залог) на - все още се смята, че голи сингулярности като квантови гравитационни обекти могат да съществуват, без да бъдат покрити от хоризонта във Вселената, която наблюдаваме, предложи Хокинг, а Прескил / Торн прие следния залог:

Тъй като всяка форма на класическа материя или поле, неспособна да стане единична в плоското пространство-време, се подчинява на класическите уравнения на общата теория на относителността на Айнщайн, динамичната еволюция от всякакви начални условия (тоест от всеки открит набор от първоначални данни) никога не може генерира гола сингулярност (непълна нулева геодезика от I + с крайна точка в миналото).

Губещият награждава победителя с дрехи, за да може да прикрие голотата си. Облеклото трябва да бъде бродирано с подходящо за случая послание.

Моят приятел и колега Кип Торн, с когото направихме много залози (все още активен), не е от онези, които следват общоприетата линия във физиката, само защото всички го правят. Затова той стана първият сериозен учен, осмелил се да обсъжда пътуването във времето като практическа възможност.

Да се ​​говори открито за пътуване във времето е деликатен въпрос. Рискувате да се изгубите или от гръмки призиви да инвестирате бюджетни пари в някакъв абсурд, или от искане за класифициране на изследвания за военни цели. Всъщност как можем да се предпазим от някой, който разполага с машина на времето? В крайна сметка той е в състояние да промени самата история и да управлява света. Малко от нас са достатъчно безразсъдни, за да се заемат с въпрос, който е толкова политически некоректен сред физиците. Ние маскираме този факт с технически термини, които криптират пътуването във времето.

Основата на всички съвременни дискусии за пътуване във времето е теорията на Айнщайн за общата теория на относителността. Както се вижда в предишните глави, уравненията на Айнщайн правят пространството и времето динамични, като описват как са изкривени и изкривени от материята и енергията във Вселената. В общата теория на относителността личното време на всеки, измерено с ръчен часовник, винаги ще се увеличава, точно както в теорията на Нютон или в плоското пространство-време на специалната теория на относителността. Но може би пространство-времето ще се завърти толкова, че ще можете да отлетите в звездолет и да се върнете преди заминаването си (фиг. 5.1).

Например, това може да се случи, ако има червеи - тръбите на пространство-времето, споменати в глава 4, които свързват различните му региони. Идеята е да насочи звездния кораб към едното устие на червейната дупка и да излезе от другото на съвсем различно място и време (Фигура 5.2).

Червеевите дупки, ако съществуват, биха могли да решат проблема с ограничаването на скоростта в пространството: според теорията на относителността са необходими десетки хиляди години, за да се пресече галактиката. Но през дупка на червей можете да летите до другата страна на галактиката и да се върнете обратно по време на вечеря. Междувременно е лесно да се покаже, че ако съществуват червеи, те могат да бъдат използвани, за да се окажат в миналото.

Така че си струва да помислите какво ще се случи, ако можете например да взривите ракетата си на стартовата площадка, за да предотвратите собствения си полет. Това е вариант на известния парадокс: Какво се случва, ако пътувате назад във времето и убиете собствения си дядо, преди той да успее да зачене баща ви (Фигура 5.3)?

Разбира се, парадоксът тук се получава само ако приемем, че веднъж в миналото можете да правите каквото искате. Тази книга не е мястото за философски дискусии относно свободната воля. Вместо това ще се съсредоточим върху това дали законите на физиката позволяват на пространството и времето да се усуква, така че макроскопично тяло като космически кораб да може да се върне в миналото си. Според теорията на Айнщайн, космическият кораб винаги се движи със скорост, която е по-малка от локалната скорост на светлината в пространство-времето, и следва така наречената времеподобна световна линия. Това ни позволява да преформулираме въпроса в технически термини: могат ли да съществуват затворени времеподобни криви в пространство-времето, тоест такива, които се връщат отново и отново в началната си точка? Ще нарека такива траектории „временни с mi цикли".

Можете да търсите отговора на поставения въпрос на три нива. Първото е нивото на общата теория на относителността на Айнщайн, което предполага, че Вселената има добре дефинирана история без никаква несигурност. За тази класическа теория имаме пълна картина. Въпреки това, както видяхме, подобна теория не може да бъде напълно точна, тъй като според наблюденията материята е подложена на влиянието на несигурност и квантови флуктуации.

Следователно може да се постави въпросът за пътуването във времето на второ ниво – за случая с полукласическите теории. Сега разглеждаме поведението на материята според квантовата теория с несигурности и квантови флуктуации, но считаме пространство-времето за добре дефинирано и класическо. Тази картина не е толкова пълна, но поне дава някаква представа как да продължите.

И накрая, има подход от гледна точка на пълна квантова теория на гравитацията, каквато и да се окаже. В тази теория, където не само материята, но и самото време и пространство са обект на несигурност и флуктуации, не е напълно ясно дори как да се повдигне въпросът за възможността за пътуване във времето. Може би най-доброто нещо, което трябва да направите, е да помолите хората в области, където пространство-времето е почти класическо и без неясноти, да интерпретират своите измервания. Ще им се струва ли, че пътуването във времето се случва в региони със силна гравитация и големи квантови флуктуации?

Нека започнем с класическата теория: плоското пространство-време на специалната теория на относителността (без гравитацията) не позволява пътуване във времето, това също е невъзможно в онези извити версии на пространство-време, които бяха изследвани в началото. Айнщайн беше буквално шокиран, когато през 1949 г. Курт Гьодел, този, който доказа известната теорема на Гьодел, открива, че пространство-времето във вселена, напълно пълна с въртяща се материя, има време втата линия във всяка точка (фиг. 5.4).

Решението на Гьодел изисква въвеждането на космологична константа, която може да не съществува в действителност, но по-късно подобни решения бяха намерени без космологичната константа. Особено интересен случай е, когато две космически струни се движат една покрай друга с висока скорост.

Космическите струни не трябва да се бъркат с елементарните обекти на теорията на струните, с които те са напълно несвързани. Такива предмети имат разширение, но в същото време имат малко напречно сечение. Съществуването им е предсказано в някои теории за елементарните частици. Пространството и времето извън една космическа струна е плоско. Въпреки това, това плоско пространство-време има клиновиден прорез, чийто връх лежи точно върху струната. Прилича на конус: вземете голям кръг от хартия и изрежете от него сектор, подобен на пай, чийто връх е разположен в центъра на кръга. След като извадите изрязаното парче, залепете ръбовете на разреза към останалата част, за да оформите конус. Той изобразява пространство-времето, в което съществува космическата струна (фиг. 5.5).

Забележете, че тъй като повърхността на конуса е същото плоско парче хартия, с което започнахме (без изтрития сектор), тя все още може да се счита за плоска с изключение на горната част. Наличието на кривина във върха може да се установи по факта, че кръговете, описани около него, имат по-малка дължина от кръговете, които са на същото разстояние от центъра на оригиналния кръгъл лист хартия. С други думи, кръгът около върха е по-къс от кръг със същия радиус в плоско пространство трябва да се дължи на липсващия сектор (Фигура 5.6).

По същия начин, сектор, отстранен от плоското пространство-време, скъсява кръговете около космическата струна, но не влияе на времето или разстоянието по нея. Това означава, че пространство-времето около отделна космическа струна не съдържа време. с x цикли и следователно пътуването в миналото не е възможно. Въпреки това, ако има втора космическа струна, която се движи спрямо първата, нейната времева посока ще бъде комбинация от времето и пространствените промени на първата. Това означава, че секторът, който се отрязва от втората струна, ще съкрати както разстоянията в пространството, така и интервалите от време за наблюдател, който се движи с първата струна (фиг. 5.7). Ако струните се движат една спрямо друга със скорост, близка до светлината, намаляването на времето за преминаване на двете струни може да бъде толкова значително, че ще се върнете по-рано, отколкото сте започнали. С други думи, има временни селектронни бримки, по които можете да пътувате в миналото.

Космическите струни съдържат материя с положителна енергийна плътност, която е съвместима с познатата днес физика. Въпреки това, изкривяването на пространството, което поражда времеви с e цикли, простира се до самата безкрайност в пространството и до безкрайното минало във времето. Така че подобни структури на пространство-времето първоначално, чрез конструкция, позволяват възможността за пътуване във времето. Няма причина да вярваме, че нашата собствена вселена е скроена по такъв извратен начин, нямаме надеждни доказателства за появата на гости от бъдещето. (Не вземам предвид теориите на конспирацията, че НЛО идват от бъдещето и правителството знае за това, но крие истината. с x циклите не са били в далечното минало, или по-точно, в миналото по отношение на някаква повърхност в пространство-времето, което ще обознача С... Въпросът е: може ли една високоразвита цивилизация да построи машина на времето? Тоест може ли да промени пространство-времето в бъдеще по отношение на С(над повърхността Сна диаграмата), така че бримките да се появяват само в областта на крайния размер? Говоря за краен регион, защото без значение колко напреднала е една цивилизация, изглежда, че може да контролира само ограничена част от Вселената. В науката правилното формулиране на проблем често означава намиране на ключа към неговото решение и случаят, който разглеждаме, е такъв добре за товаилюстрация. За дефиниция на крайна машина на времето ще се обърна към една от моите стари произведения. Пътуването във времето е възможно в определена област от пространство-времето, където има време с e loops, тоест траектории с субсветна скорост на движение, които въпреки това успяват да се върнат на първоначалното си място и време поради кривината на пространство-времето. Тъй като предположих, че в далечното минало време с x нямаше цикли, трябва да има това, което аз наричам "хоризонт на пътуване във времето" - границата, която разделя областта, съдържаща времето с e бримки, от областта, където те не са (фиг.5.8).

Хоризонтът за пътуване във времето е доста подобен на хоризонта на черна дупка. Докато последният се формира от лъчи светлина, на които липсва и най-малката част, за да оставят черна дупка, хоризонтът за пътуване във времето се задава от лъчи, които са на ръба да се срещнат. Освен това ще разгледам наличието на така наречения ограничено генериран хоризонт като критерий на машината на времето, тоест образуван от светлинни лъчи, които се излъчват от зона с ограничен размер. С други думи, те не трябва да идват от безкрайност или сингулярност, а само от краен регион, съдържащ време впримка, област, която предполагаме, че нашата високо развита цивилизация ще може да създаде.

С приемането на такъв критерий за машина на времето има прекрасна възможност да използваме методите, които Роджър Пенроуз и аз разработихме за изследване на сингулярности и черни дупки. Дори без да използвам уравненията на Айнщайн, мога да покажа това в общ случайограничено генерираният хоризонт ще съдържа лъчи светлина, които се срещат, продължавайки да се връщат към една и съща точка отново и отново. Докато правите кръга, светлината ще изпитва все повече и повече синьо изместване всеки път и изображенията ще стават все по-сини и сини. Гърбиците на вълните в лъча ще започнат да се приближават все повече и повече, а интервалите, през които се връща светлината, ще стават все по-къси. Всъщност частица светлина ще има крайна история, ако се гледа навреме, въпреки че реже кръгове в ограничен регион и не удря единствената точка на кривина.

Фактът, че частица светлина ще изчерпи своята история за крайно време, може да изглежда незначителен. Но мога да докажа и възможността за съществуване на световни линии, скоростта на движение по които е по-малка от скоростта на светлината, а продължителността е крайна. Това може да са историите на наблюдатели, които са уловени в ограничен регион пред хоризонта и се движат кръг след кръг все по-бързо и по-бързо, докато достигнат скоростта на светлината за крайно време. Така че, ако красиво извънземно летяща чиния ви покани в своята машина на времето, бъдете внимателни. Можете да попаднете в капана на повтарящи се истории с ограничена обща дължина (Фигура 5.9).

Тези резултати не зависят от уравнението на Айнщайн, а само от това как се усуква пространство-времето, за да се получи времето О 1-ви цикъл в крайната област. Но все пак какъв материал би могла да използва една високоразвита цивилизация, за да построи машина на времето с крайни измерения? Може ли навсякъде да има положителна енергийна плътност, какъвто е случаят с пространство-времето на космическата струна, описана по-горе? Космическата струна не удовлетворява моето изискване, че временната с e loops се появиха само в областта на терминала. Но някой би си помислил, че това се дължи само на факта, че струните са с безкрайна дължина. Някой може да се надява да построи крайна машина на времето, използвайки крайни контури от космически струни, които имат положителна енергийна плътност навсякъде. Жалко е да разочароваме хората, които като Кип искат да се върнат назад във времето, но това не може да стане с положителна енергийна плътност навсякъде. Мога да докажа, че имате нужда от отрицателна енергия, за да построите крайна машина на времето.

В класическата теория плътността на енергията винаги е положителна, така че съществуването на крайна машина на времето на това ниво е изключено. Но ситуацията се променя в полукласическата теория, където поведението на материята се разглежда в съответствие с квантовата теория, а пространство-времето се счита за добре дефинирано, класическо. Както видяхме, принципът на неопределеността в квантовата теория означава, че полетата винаги се колебаят нагоре и надолу, дори в привидно празно пространство и имат безкрайна енергийна плътност. В крайна сметка, само като извадим безкрайна стойност, получаваме крайната енергийна плътност, която наблюдаваме във Вселената. Това изваждане може да даде и отрицателна енергийна плътност, поне локално. Дори в плоско пространство могат да се намерят квантови състояния, в които плътността на енергията е локално отрицателна, въпреки че общата енергия е положителна. Чудя се дали тези отрицателни стойности всъщност карат пространство-времето да се деформира по такъв начин, че да се появи крайна машина на времето? Изглежда, че те трябва да доведат до това. Както можете да видите от глава 4, квантовите флуктуации означават, че дори привидно празно пространство е изпълнено с двойки виртуални частици, които се появяват заедно, разпръскват се и след това отново се сближават и анихилират една с друга (Фигура 5.10). Един от елементите на виртуалната двойка ще има положителна енергия, докато другият ще има отрицателна енергия. При наличието на черна дупка върху нея може да падне частица с отрицателна енергия, а частица с положителна енергия може да отлети до безкрайност, където ще изглежда като излъчване, което отнася положителна енергия от черната дупка. А частиците с отрицателна енергия, попадайки в черна дупка, ще доведат до намаляване на нейната маса и бавно изпаряване, придружено от намаляване на размера на хоризонта (фиг. 5.11).

Обикновената материя с положителна енергийна плътност генерира привлекателна гравитационна сила и огъва пространство-времето, така че лъчите да се обръщат един към друг, точно както топката върху гуменото платно от Глава 2 винаги увива малка топка към себе си и никога настрани.

От това следва, че площта на хоризонта на черната дупка само се увеличава с времето и никога не намалява. За да намалее хоризонтът на черна дупка, плътността на енергията на хоризонта трябва да бъде отрицателна, а пространство-времето трябва да предизвика разминаване на лъчите на светлината. За първи път осъзнах това веднъж, като си легнах, малко след раждането на дъщеря ми. Няма да кажа точно колко време беше, но сега вече имам внуче.

Изпаряването на черните дупки показва, че на квантово ниво плътността на енергията понякога може да бъде отрицателна и да изкриви пространството-времето в посоката, която би била необходима за изграждането на машина на времето. Така че може да си представим цивилизация, която е на толкова висок етап на развитие, че е в състояние да постигне достатъчно голяма отрицателна енергийна плътност, за да получи машина на времето, която би била подходяща за макроскопични обекти като космически кораби. Въпреки това има значителна разлика между хоризонта на черна дупка, образуван от лъчи светлина, които просто продължават да се движат, и хоризонта в машина на времето, която съдържа затворени лъчи светлина, които продължават да се въртят в кръг. Една виртуална частица, движеща се от време на време по такъв затворен път, ще доведе енергията си на основно състояние до същата точка. Следователно трябва да се очаква, че на хоризонта, тоест на границата на машината на времето – регион, в който може да се пътува в миналото – плътността на енергията ще бъде безкрайна. Това се потвърждава от прецизни изчисления в редица специални случаи, които са достатъчно прости, за да се получи точно решение. Оказва се, че човек или космическа сонда, които се опитват да пресекат хоризонта и да попаднат в машината на времето, ще бъдат напълно унищожени от радиационната завеса (фиг. 5.12). Така че бъдещето на пътуването във времето изглежда доста мрачно (или трябва да кажа „ослепително ярко“?).

Енергийната плътност на веществото зависи от състоянието, в което се намира, така че може би една високо развита цивилизация ще може да направи енергийната плътност на границата на машината на времето крайна, „замразявайки“ или премахвайки виртуални частици, които се движат наоколо и наоколо в затворен цикъл. Въпреки това, няма сигурност, че такава машина на времето ще бъде стабилна: и най-малкото смущение, например, някой, който пресича хоризонта, за да влезе в машината на времето, може да започне циркулацията на виртуални частици и да причини изпепеляваща мълния. Физиците трябва да обсъждат този въпрос свободно, без страх от презрителна подигравка. Дори да се окаже, че пътуването във времето е невъзможно, ще разберем защо е невъзможно, а това е важно.

За да отговорим категорично на обсъждания въпрос, трябва да разгледаме квантовите флуктуации не само на материалните полета, но и на самото пространство-време. Може да се очаква, че това ще предизвика известно замъгляване в пътищата на светлинните лъчи и като цяло в принципа на хронологичното подреждане. Всъщност радиацията от черна дупка може да се разглежда като теч, причинен от квантови флуктуации в пространство-времето, които показват, че хоризонтът не е съвсем точно определен. Тъй като все още нямаме готова теория на квантовата гравитация, е трудно да се каже какъв трябва да бъде ефектът от пространствено-времеви флуктуации. Независимо от това, можем да се надяваме да получим някои улики от обобщението на Файнман, описано в глава 3.

Всяка история ще бъде извито пространство-време с материални полета в него. Тъй като ще обобщим всички възможни истории, а не само тези, които удовлетворяват някои уравнения, сумата трябва да включва онези времена-пространства, които са достатъчно усукани, за да пътуват назад във времето (Фигура 5.13). Тогава възниква въпросът: защо такова пътуване не се случва навсякъде? Отговорът е, че пътуването във времето всъщност се осъществява в микроскопичен мащаб, но ние не го забелязваме. Ако приложим идеята на Файнман за сумиране върху историите към една частица, тогава трябва да включим истории, в които тя се движи по-бързо от светлината и дори назад във времето. По-специално, ще има истории, в които частицата се движи кръг по кръг в затворен цикъл във времето и пространството. Както във филма „Ден на сурка“, където репортерът живее един и същи ден отново и отново (фиг. 5. 14).

Частици с такава затворена история не могат да се наблюдават в ускорителите. Въпреки това, техните странични ефекти могат да бъдат измерени чрез наблюдение на редица експериментални ефекти. Едното е леко изместване на излъчването на водородни атоми, което се причинява от електрони, движещи се в затворени контури. Друга, малката сила между успоредни метални плочи и причинена от факта, че има малко по-малко затворени контури между тях, отколкото във външните области, е друга еквивалентна интерпретация на ефекта на Казимир. По този начин съществуването на истории, затворени в цикъл, се потвърждава чрез експеримент (фиг. 5.15).

Спорно е дали подобни примкови истории на частици имат нещо общо с кривината на пространство-времето, тъй като те възникват дори на такъв постоянен фон като плоското пространство. Но през последните години открихме, че физическите явления често имат еднакво правилни двойни описания. С еднаква причина можем да кажем, че частиците се движат в затворени контури на непроменен фон или че остават неподвижни, докато пространство-времето се колебае около тях. Това се свежда до въпроса: искате ли първо да сумирате траектории на частици и след това по извити времена-пространства или обратно?

По този начин изглежда, че квантовата теория позволява пътуване във времето в микроскопичен мащаб. Но за научнофантастични цели, като летене назад във времето и убийство на дядо си, това е от малка полза. Следователно остава въпросът: може ли вероятността, когато се сумира върху историите, да достигне максимум в пространства-времена с макроскопични времеви цикли?

Този проблем може да бъде изследван чрез разглеждане на сумите за историята на материалните полета върху последователност от фоново пространство-време, които се доближават все повече и повече до допускане на времеви цикли. Би било естествено да се очаква, че в момент, когато времето аПримката се появява за първи път, предстои да се случи нещо значимо. Това се случи в прост пример, който изучавах с моя ученик Майкъл Касиди.

Фоновото пространство-време, което изучавахме, беше тясно свързано с така наречената Вселена на Айнщайн, пространство-времето, което Айнщайн предложи, когато все още вярваше, че Вселената е статична и непроменяща се във времето, не се разширява или свива (вижте Глава 1). .. Във вселената на Айнщайн времето преминава от безкрайно минало към безкрайно бъдеще. Но пространствените измерения са крайни и затворени в себе си, като повърхността на Земята, но само с броя на измеренията още едно. Такова пространство-време може да се изобрази като цилиндър, чиято надлъжна ос ще бъде времето, а разрезът ще бъде пространство с три измерения (фиг. 5.16).

Тъй като вселената на Айнщайн не се разширява, тя не съответства на вселената, в която живеем. Въпреки това, това е удобна рамка за обсъждане на пътуване във времето, защото е достатъчно проста за обобщаване на истории. Да забравим за момент за пътуването във времето и да разгледаме материята във вселената на Айнщайн, която се върти около ос. Ако се окажете на тази ос, ще останете в същата точка от пространството, сякаш стоите в центъра на детска въртележка. Но, като сте разположени отстрани на оста, вие ще се движите в пространството около нея. Колкото по-далече от оста, толкова по-бързо ще бъде вашето движение (фиг. 5.17). Така че, ако Вселената е безкрайна в пространството, точките, достатъчно далеч от оста, ще се въртят със свръхсветлинна скорост. Но тъй като вселената на Айнщайн е ограничена в пространствените измерения, има критична скорост на въртене, при която никоя част от нея няма да се върти по-бързо от светлината.

Сега помислете за сумата от историята на частица във въртящата се вселена на Айнщайн. Когато въртенето е бавно, има много пътища, които частицата може да измине за дадено количество енергия. Следователно сумирането на всички истории на частиците на такъв фон дава голяма амплитуда. Това означава, че вероятността за такъв фон, когато се сумира върху всички истории на извито пространство-време, ще бъде висока, тоест е сред по-вероятните истории. Въпреки това, тъй като скоростта на въртене на Вселената на Айнщайн се приближава до критична точка и скоростта на движение на външните й области клони към скоростта на светлината, има само един разрешен начин. и m за класически частици на ръба на Вселената, а именно движение със скоростта на светлината. Това означава, че сумата от историята на частиците ще бъде малка, което означава, че вероятностите за такова пространство-време с x фонове общо във всички извити истории на пространство-времето ще се окажат ниски. Тоест те ще бъдат най-малко вероятни.

Но каква е връзката между пътуването във времето и пътуването във времето? с m цикъла имат въртящите се вселени на Айнщайн? Отговорът е, че те са математически еквивалентни на други среди, в които са възможни времеви цикли. Тези други фонове са вселени, които се разширяват в две пространствени посоки. Такива вселени не се разширяват в трето измерение, което е периодично. Тоест, ако изминеш известно разстояние в тази посока, ще се окажеш откъдето си тръгнал. Въпреки това, с всеки кръг в тази посока, вашата скорост в първата и втората посока ще се увеличава (Фигура 5.18).

Ако ускорението е малко, тогава времето с x цикли не съществуват. Помислете обаче за последователност от фонове с всички b Опо-големи скорости. Времеви цикли се появяват при определена критична стойност на ускорението. Не е изненадващо, че това критично ускорение съответства на критичната скорост на въртене на вселените на Айнщайн. Тъй като изчисляването на сумата за историите и на двата фона е математически еквивалентно, можем да заключим, че вероятността за такива фонове клони към нула, когато се приближаваме до кривината, необходима за получаване на времеви цикли. С други думи, вероятността за деформация, достатъчна за машина на времето, е нула. Това потвърждава това, което наричам хипотеза за защита на хронологията: законите на физиката са проектирани по такъв начин, че не позволяват на макроскопичните обекти да се движат във времето.

Макар и временно сАко циклите са разрешени, когато се сумират върху историите, техните вероятности са изключително ниски. Въз основа на споменатите по-горе отношения на дуалност, аз оцених вероятността Кип Торн да се върне назад във времето и да убие дядо си: оказа се, че е по-малко от едно към десет в степента на трилион трилион трилиона трилиона трилиона.

Това е просто изненадващо малка вероятност, но ако се вгледате внимателно в снимката на Кип, ще забележите лека мъгла около краищата. Това съответства на изчезващо малката вероятност някой мошеник от бъдещето да пътува в миналото и да убие дядо си и следователно Кип всъщност не е тук.

Като комарджии, Кип и аз бихме искали да заложим на аномалия като тази. Проблемът обаче е, че не можем да направим това, защото сега сме на същото мнение. И няма да залагам с никой друг. Ами ако се окаже извънземен от бъдещето, знаейки, че пътуването във времето е възможно?

Мислите ли, че тази глава е написана по нареждане на правителството, за да замъгли реалността на пътуването във времето? Може би си прав.

Световната линия е път в четириизмерното пространство-време. Времеподобните световни линии съчетават движението в пространството с естественото движение напред във времето. Само по тези линии могат да следват материалните обекти.

Краен - с крайни размери.