استیون هاوکینگ به طور خلاصه دنیایی است. استیون هاوکینگ «جهان به طور خلاصه

اوه، استیون هاوکینگ قبلاً در Fantlab پست شده است. خیلی غیرمنتظره، اما چون او اینجاست، نمی توانم ساکت بمانم.

برای شروع، کمی در مورد خود نویسنده: استیون هاوکینگ بارزترین نمونه از صلابت روح انسان است. اینکه خود را فلج می بینید، از فرصت صحبت محروم می شوید - چه چیزی بدتر از این سرنوشت؟ اما روح و ذهن تیتان بر ضعف جسمانی او غلبه کرد. و چگونه آنها پیروز شدند! هاوکینگ یکی از باهوش ترین مردمکه اکنون در سیاره ما زندگی می کنند. اگر کسی نیاز به اثبات تقدم روح بر بدن دارد، این دلیل برای شماست. کسانی که از مشکلات جزئی یا زخم های خود شکایت می کنند نمونه ای از یک مشکل واقعی و ضعف فیزیکی واقعی برای شما هستند. در واقع، خود استیون هاوکینگ فوق العاده است. مرد زاهد، مرد شهید، انسان نماد. : نماز خواندن:

درباره کتاب: من فقط یک کتاب خواندم (یا بهتر است بگوییم هنوز هم می خوانم، زیرا کارها بسیار کند پیش می رود). چیز کاملا زرق و برق دار است! و مانند هر چیز شیک، بسیار نادر است. تیراژ کتاب 7000 نسخه است، بنابراین به سختی می توان آن را در قفسه کتابفروشی های شهرهای کوچک پیدا کرد. من شخصاً این کتاب را از طریق اینترنت، در وب سایت www.urss.ru سفارش دادم (مدیران، از شما خواهش می کنم پیوند را حذف نکنید، زیرا این فروشگاه منحصراً ادبیات علمی یا علمی و آموزشی را توزیع می کند که اغلب در هیچ کجا پیدا نمی کنید. دیگر). یک نسخه عالی در یک ژاکت گرد و غبار و جلد گالینگور روی کاغذ با روکش شیک (خدایا، چقدر با کاغذ ارزان و مایل به خاکستری آشنا از قبل متفاوت است!). چاپ عالی، متن هیچ جا لکه دار نمی شود. نقاشی های رنگی عالی که کاملا متن نسبتاً پیچیده را تکمیل می کند و به وضوح سیر تفکر نویسنده را نشان می دهد. به طور کلی، برای این کتاب حیف نیست که ششصد روبل به سختی به دست آورده اید + هزینه تحویل را از طریق پست بپردازید.

در مورد خود متن، کاملاً پیچیده است. اما دشوار است نه به این دلیل که نویسنده افکار خود را ضعیف بیان می کند یا به این دلیل که از اصطلاحات یا فرمول های وحشتناک سوء استفاده می کند، بلکه به این دلیل که سعی می کند پیچیده ترین و جالب ترین مسائلی را که فیزیک مدرن در تلاش برای حل آنها است توضیح دهد. هاوکینگ به نوبه خود (یعنی از طرف دانشمند محبوب) هر کاری که از دستش بر می آمد انجام داد، اما خواننده نیز باید تلاش زیادی کند تا حداقل طرح کلیدرک کنید که نویسنده در مورد چه چیزی صحبت می کند.

در این کتاب، برای مثال، بر خلاف یکی دیگر از کتاب‌های پرفروش ادبیات علمی عامه‌پسند اثر برایان گرین، «جهان زیبا»، هیچ فصلی وجود ندارد که بتواند حافظه قوانین فیزیکی جهان کلان و خرد را تازه کند. اگر برایان گرین نیمی از کتاب را صرف کرد تا خواننده را برای تئوری ابر ریسمان ها و بعد یازده بعدی که در آن وجود دارد آماده کند، استیون هاوکینگ تصمیم گرفت که گاو را از شاخ بگیرد و از فصل دوم شروع به صحبت در مورد شکل زمان کرد. ، در طول مسیر به یادآوری مبانی علم خود. بنابراین افراد ناآماده (مثلاً مثل من) گاهی ممکن است رشته استدلال نویسنده را از دست بدهند. با این حال، آیا واقعاً تقصیر نویسنده است که فیزیک را در مدرسه ضعیف تدریس می کردند؟ در اینجا چیزی بیش از مفاهیم اولیه ای که معلمان مدرسه سعی کردند به ما بدهند نیازی نیست.

من عجله دارم تا طرفداران نیک پروموف را خوشحال کنم! چندجهانی، در مورد یکی از فصول کتاب که هاوکینگ درباره آن صحبت می کند، بسیار شبیه به Ordered است (و در آنجا چه شکلی به نظر می رسد، یک به یک، حتی اگر یک مسابقه را اعلام کنید "ده تفاوت را پیدا کنید") به Ordered. بنابراین می توان گفت که فانتزی با تئوری های فیزیکی مدرن عمل می کند.

این البته محتوای کتاب را تمام نمی کند و نویسنده در مورد چیزهای کاملاً خارق العاده صحبت می کند. مثلا در مورد امکان سفر در زمان. یا در مورد همان "کرم چاله ها" که زیاد در مورد آنها صحبت می شود، اما تعداد کمی از مردم می دانند.

خط آخر: دست بلند نمی شود تا این کتاب را زیر ده امتیاز قرار دهد. پیش روی ما یک شاهکار است، بله، یک شاهکار ادبیات علمی عامه پسند در زمینه فیزیک. علاوه بر این، برای یک بار هم که شده، این شاهکار طرحی شایسته در قالب یک نشریه ایده آل دریافت کرده است (همانطور که در کتاب برایان گرین "جهان زیبا" وجود ندارد!) هر کسی که حتی کمی کنجکاو باشد که بهترین ذهن های زمان ما چه هستند. مبارزه با باید آن را بخواند.

امتیاز: 10

کتاب خوب است، اما نه به خوبی کتابی که زمانی در ادبیات علمی عامه‌پسند سروصدا کرد. داستان کوتاهزمان ".

بسیاری از نقاشی های رنگارنگ بزرگ، بدون فرمول های پیچیده، همه چیز به معنای واقعی کلمه روی انگشتان جویده می شود. ایده ها واقعاً بسیار پیچیده هستند و آنها را اینگونه قرار می دهید به زبان سادههمیشه ممکن نیست ... با این حال نویسنده سعی می کند آن را انجام دهد. به نظر من ساده‌سازی بیش از حد مطالب از نظر محتوای اطلاعاتی به کتاب آسیب چشمگیری وارد کرده است. سوالات زیادی برای افرادی وجود دارد که می خواهند به تنهایی به ته حقیقت برسند، بنابراین، در نهایت، شما باید ادبیات اضافی بخرید: برایان گرین، واینبرگ، پنروز. به طور جداگانه، می خواهم به آثار منتشر شده توسط آمفورا در مورد نظریه نسبیت اینشتین اشاره کنم (این مجموعه "کتابخانه استیون هاوکینگ" نام دارد).

فصل 5

دفاع از گذشته

در مورد اینکه آیا سفر در زمان امکان پذیر است و آیا تمدن بسیار توسعه یافته با بازگشت به گذشته قادر به تغییر آن است یا خیر

از آنجایی که استیون هاوکینگ (که شرط قبلی در این مورد را با ناکافی کردن ادعاها باخته بود) نمای کلی) کاملا متقاعد است که تکینگی های برهنه نفرین شده اند و باید توسط قوانین فیزیک کلاسیک منع شوند، و از آنجایی که جان پرسکیل و کیپ تورن (که شرط قبلی را برنده شد) هنوز معتقدند که تکینگی های برهنه به عنوان اجسام گرانشی کوانتومی می توانند وجود داشته باشند بدون اینکه توسط گرانشی پنهان شوند. horizon، در کیهانی که ما در حال مشاهده آن هستیم، هاوکینگ پیشنهاد داد و Preskill/Thorne شرط زیر را پذیرفت:

از آنجایی که هر شکلی از ماده یا میدان کلاسیک که قادر به تکینگی در فضا-زمان تخت نباشد، از معادلات کلاسیک نظریه نسبیت عام انیشتین تبعیت می کند، تکامل دینامیکی از هر شرایط اولیه (یعنی از هر مجموعه باز از داده های اولیه) هرگز نمی تواند ایجاد یک تکینگی برهنه (یک ژئودزیک صفر ناقص از I + با یک نقطه پایانی در گذشته).

بازنده با لباس به برنده پاداش می دهد تا برهنگی خود را بپوشاند. لباس باید با پیامی متناسب با موقعیت گلدوزی شود.

استیون دبلیو. هاوکینگ جان پی. پرسکیل و کیپ اس. تورن
پاسادنا، کالیفرنیا، 5 فوریه 1997

دوست و همکار من کیپ تورن، که من با او شرط‌بندی‌های زیادی انجام داده‌ام (هنوز فعال)، یکی از کسانی نیست که از خط عمومی پذیرفته شده در فیزیک پیروی می‌کند فقط به این دلیل که همه آن را انجام می‌دهند. بنابراین، او اولین دانشمند جدی بود که جرأت کرد سفر در زمان را به عنوان یک امکان عملی مورد بحث قرار دهد.

صحبت آشکار در مورد سفر در زمان موضوع حساسی است. شما در معرض خطر گم شدن یا در تماس‌های بلند برای سرمایه‌گذاری پول بودجه در حدی پوچ، یا در تقاضای طبقه‌بندی تحقیقات برای اهداف نظامی هستید. در واقع، چگونه می‌توانیم از خود در برابر کسی که ماشین زمان در اختیار دارد محافظت کنیم؟ بالاخره او قادر است خود تاریخ را تغییر دهد و بر جهان حکومت کند. تعداد کمی از ما به اندازه کافی بی پروا هستیم که بتوانیم به موضوعی بپردازیم که از نظر سیاسی در بین فیزیکدانان نادرست است. ما این واقعیت را با عبارات فنی که سفر در زمان را رمزگذاری می کند پنهان می کنیم.

اساس تمام بحث های مدرن سفر در زمان، نظریه نسبیت عام اینشتین است. همانطور که در فصل های قبلی مشاهده شد، معادلات انیشتین با توصیف چگونگی خم شدن و اعوجاج آنها توسط ماده و انرژی در جهان، فضا و زمان را پویا می کند. در نسبیت عام، زمان شخصی هر کسی که بر اساس آن اندازه گیری می شود ساعت مچی، همیشه افزایش خواهد یافت، درست مانند نظریه نیوتن یا در فضا-زمان مسطح نسبیت خاص. اما شاید فضا-زمان به قدری در حال چرخش باشد که بتوانید با یک سفینه فضایی پرواز کرده و قبل از عزیمت خود بازگردید (شکل 5.1).

به عنوان مثال، اگر کرمچاله هایی وجود داشته باشد - لوله های فضازمان ذکر شده در فصل 4 که مناطق مختلف آن را به هم متصل می کنند، ممکن است اتفاق بیفتد. ایده این است که سفینه فضایی را به سمت یک دهانه کرمچاله گرفته و از دهانه دیگر در مکان و زمان کاملاً متفاوتی خارج شود (شکل 5.2).

کرمچاله ها، در صورت وجود، می توانند مشکل محدود کردن سرعت در فضا را حل کنند: طبق نظریه نسبیت، ده ها هزار سال طول می کشد تا از کهکشان عبور کنیم. اما از طریق یک کرم چاله، می توانید به سمت دیگر کهکشان پرواز کنید و در طول شام برگردید. در ضمن، به راحتی می توان نشان داد که اگر کرمچاله ها وجود داشته باشند، می توان از آنها برای حضور در گذشته استفاده کرد.

بنابراین ارزش این را دارد که به این فکر کنید که اگر بتوانید، برای مثال، موشک خود را در سکوی پرتاب منفجر کنید تا از پرواز خود جلوگیری کنید، چه اتفاقی می‌افتد. این یک تغییر از پارادوکس معروف است: اگر به گذشته سفر کنید و پدربزرگ خود را قبل از اینکه پدرتان را باردار شود بکشید، چه اتفاقی می‌افتد (شکل 5.3)؟

البته، تناقض در اینجا تنها در صورتی به دست می آید که فرض کنیم، یک بار در گذشته، می توانید آنچه را که می خواهید انجام دهید. این کتاب جای بحث های فلسفی در مورد اختیار نیست. در عوض، ما بر روی این موضوع تمرکز خواهیم کرد که آیا قوانین فیزیک اجازه می‌دهند فضازمان بپیچد تا جسم ماکروسکوپی مانند یک سفینه فضایی بتواند به گذشته خود بازگردد. طبق نظریه اینشتین، یک سفینه فضایی همیشه با سرعتی کمتر از سرعت محلی نور در فضا-زمان حرکت می کند و از خط به اصطلاح جهان مانند زمان پیروی می کند. این به شما این امکان را می دهد که سؤال را دوباره فرموله کنید اصطلاحات فنی: آیا منحنی های زمان مانند بسته ای در فضا-زمان وجود دارند، یعنی منحنی هایی که بارها و بارها به نقطه شروع خود باز می گردند؟ من چنین مسیرهایی را "زمانی" می نامم NSحلقه های mi ".

پاسخ سوال مطرح شده را می توانید در سه سطح جستجو کنید. اولی سطح نظریه نسبیت عام انیشتین است که بیانگر این است که جهان تاریخ کاملاً تعریف شده و بدون هیچ گونه عدم قطعیت دارد. برای این نظریه کلاسیک، ما یک تصویر کامل داریم. با این حال، همانطور که دیدیم، چنین نظریه ای نمی تواند کاملاً دقیق باشد، زیرا، طبق مشاهدات، ماده تحت تأثیر عدم قطعیت و نوسانات کوانتومی است.

بنابراین، می توان مسئله سفر در زمان را در سطح دوم - برای مورد نظریه های نیمه کلاسیک - مطرح کرد. حال رفتار ماده را طبق نظریه کوانتومی با عدم قطعیت و نوسانات کوانتومی در نظر می گیریم اما فضا-زمان را کاملاً تعریف شده و کلاسیک می دانیم. این تصویر چندان کامل نیست، اما حداقل ایده ای از نحوه ادامه کار را ارائه می دهد.

در نهایت، رویکردی از نقطه نظر یک نظریه کوانتومی کامل گرانش وجود دارد، هر چه که معلوم شود. در این نظریه، جایی که نه تنها ماده، بلکه زمان و مکان نیز خود در معرض عدم قطعیت و نوسان هستند، حتی روشن نیست که چگونه می توان مسئله امکان سفر در زمان را مطرح کرد. شاید بهترین کار این باشد که از مردم در مناطقی که فضازمان تقریباً کلاسیک و عاری از ابهام است بخواهیم اندازه گیری های خود را تفسیر کنند. آیا به نظر آنها می رسد که سفر در زمان در مناطقی با گرانش قوی و نوسانات کوانتومی زیاد اتفاق می افتد؟

بیایید با نظریه کلاسیک شروع کنیم: فضا-زمان مسطح نظریه نسبیت خاص (بدون گرانش) اجازه سفر در زمان را نمی دهد، این نیز در آن نسخه های منحنی فضا-زمان که در ابتدا مورد مطالعه قرار گرفتند غیرممکن است. زمانی که در سال 1949 کرت گودل، کسی که قضیه معروف گودل را اثبات کرد، انیشتین به معنای واقعی کلمه شوکه شد، کشف کرد که فضا-زمان در یک جهان کاملاً پر از ماده دوار دارای زمان است. درحلقه ام در هر نقطه (شکل 5.4).

راه حل گودل مستلزم ارائه یک ثابت کیهانی بود که ممکن است در واقعیت وجود نداشته باشد، اما بعدها راه حل های مشابهی بدون ثابت کیهانی پیدا شد. به خصوص مورد جالبی است که دو رشته کیهانی با سرعت زیاد از کنار یکدیگر عبور می کنند.

ریسمان های کیهانی را نباید با اشیاء ابتدایی نظریه ریسمان، که کاملاً با آنها بی ارتباط هستند، اشتباه گرفت. چنین اجسامی دارای پسوند هستند، اما در عین حال دارای مقطع بسیار کوچکی هستند. وجود آنها در برخی از نظریه های ذرات بنیادی پیش بینی شده است. فضا-زمان خارج از یک رشته کیهانی منفرد مسطح است. با این حال، این فضازمان مسطح دارای یک بریدگی گوه‌ای شکل است که راس آن دقیقاً روی ریسمان قرار دارد. شبیه مخروط است: بگیر دایره بزرگاز کاغذ بیرون بیاورید و قسمتی را از آن جدا کنید، شبیه به یک تکه پای، که بالای آن در مرکز دایره قرار دارد. پس از برداشتن قطعه برش، لبه های برش را در قسمت باقی مانده بچسبانید - یک مخروط به دست می آورید. این فضا-زمان را نشان می دهد که در آن رشته کیهانی وجود دارد (شکل 5.5).

توجه داشته باشید، از آنجایی که سطح مخروط همان کاغذ صافی است که با آن شروع کردیم (منهای بخش حذف شده)، همچنان می توان آن را به جز قسمت بالایی، صاف در نظر گرفت. وجود انحنا در راس را می توان با این واقعیت تشخیص داد که دایره های توصیف شده در اطراف آن نسبت به دایره هایی که در همان فاصله از مرکز روی کاغذ گرد اصلی هستند، طول کوتاه تری دارند. به عبارت دیگر، دایره اطراف راس کوتاهتر از دایره ای به همان شعاع در فضای مسطح است که باید به دلیل بخش از دست رفته باشد (شکل 5.6).

به طور مشابه، بخش حذف شده از فضا-زمان مسطح، دایره های اطراف رشته کیهانی را کوتاه می کند، اما بر زمان یا فاصله در طول آن تأثیر نمی گذارد. این بدان معنی است که فضا-زمان در اطراف یک رشته کیهانی منفرد حاوی زمان نیست NS x حلقه می شود و بنابراین سفر به گذشته امکان پذیر نیست. با این حال، اگر رشته کیهانی دومی وجود داشته باشد که نسبت به رشته اول حرکت کند، جهت زمانی آن ترکیبی از تغییرات زمانی و مکانی رشته اول خواهد بود. این بدان معنی است که بخشی که توسط رشته دوم قطع می شود، هر دو فاصله را در فاصله زمانی و مکانی برای ناظری که با رشته اول حرکت می کند، کوتاه می کند (شکل 5.7). اگر رشته‌ها نسبت به یکدیگر با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کنند، کاهش زمان برای عبور از هر دو رشته می‌تواند آنقدر قابل توجه باشد که زودتر از شروع به کار برگردید. به عبارت دیگر، موقتی وجود دارد NS e حلقه هایی که در طول آن می توانید به گذشته سفر کنید.

رشته های کیهانی حاوی ماده ای با چگالی انرژی مثبت هستند که با فیزیک شناخته شده امروزی سازگار است. با این حال، پیچش فضا، که منجر به زمانی می شود NSحلقه های e، تا بی نهایت در فضا و به گذشته بی نهایت در زمان کشیده می شود. بنابراین چنین ساختارهای فضا-زمان در ابتدا، با ساخت، امکان سفر در زمان را فراهم می کنند. هیچ دلیلی وجود ندارد که باور کنیم جهان خودمان به این شکل انحرافی طراحی شده است، ما هیچ مدرک قابل اعتمادی از ظهور مهمانانی از آینده نداریم. (من تئوری های توطئه مبنی بر اینکه بشقاب پرنده ها از آینده می آیند را در نظر نمی گیرم و دولت از آن خبر دارد، اما حقیقت را پنهان می کند. NSحلقه های x در گذشته دور یا به عبارت دقیق تر، در گذشته نسبت به سطحی در فضا-زمان نبودند، که به آن اشاره خواهم کرد. اس... سوال این است: آیا تمدن بسیار توسعه یافته می تواند ماشین زمان بسازد؟ یعنی آیا می تواند فضا-زمان را در آینده نسبت به اس(در بالای سطح اسدر نمودار) به طوری که حلقه ها فقط در ناحیه اندازه نهایی ظاهر شوند؟ من در مورد یک منطقه محدود صحبت می کنم زیرا مهم نیست که یک تمدن چقدر پیشرفته باشد، به نظر می رسد که می تواند تنها بخش محدودی از جهان را کنترل کند. در علم، فرمول صحیح یک مسئله اغلب به معنای یافتن کلید راه حل آن است و موردی که در نظر می گیریم، گویای خوبی برای این موضوع است. برای تعریف ماشین زمان متناهی به یکی از کارهای قدیمی خود می پردازم. سفر در زمان در منطقه خاصی از فضا-زمان امکان پذیر است، جایی که زمان وجود دارد NSحلقه‌های e، یعنی مسیرهایی با سرعت حرکت زیر نور، که با این وجود به دلیل انحنای فضا-زمان موفق می‌شوند به مکان و زمان اصلی خود بازگردند. از آنجایی که من این را در گذشته های دور فرض می کردم NS x هیچ حلقه ای وجود نداشت، باید چیزی وجود داشته باشد که من آن را "افق سفر در زمان" می نامم - مرزی که منطقه حاوی زمان را از هم جدا می کند. NSحلقه های e، از ناحیه ای که نیستند (شکل 5.8).

افق سفر در زمان کاملاً شبیه افق یک سیاهچاله است. در حالی که دومی توسط پرتوهای نوری تشکیل می شود که کوچکترین ذره ای برای ترک سیاهچاله ندارند، افق سفر در زمان توسط پرتوهایی تنظیم می شود که در آستانه ملاقات با خود هستند. علاوه بر این، من حضور به اصطلاح افق محدود تولید شده را به عنوان معیار ماشین زمان در نظر خواهم گرفت، یعنی تشکیل شده توسط پرتوهای نوری که از ناحیه ای با اندازه محدود ساطع می شوند. به عبارت دیگر، آنها نباید از بی نهایت یا تکینگی بیایند، بلکه فقط از یک منطقه محدود حاوی زمان بیایند. دریک حلقه، منطقه ای که تصور می کنیم تمدن بسیار توسعه یافته ما قادر به ایجاد آن خواهد بود.

با اتخاذ چنین معیار ماشین زمان، فرصت فوق العاده ای برای استفاده از روش هایی که راجر پنروز و من توسعه دادیم برای مطالعه تکینگی ها و سیاهچاله ها وجود دارد. حتی بدون استفاده از معادلات انیشتین، می توانم نشان دهم که به طور کلی، یک افق محدود تولید شده حاوی پرتوهایی از نور است که به یکدیگر می رسند و بارها و بارها به همان نقطه باز می گردند. همانطور که دایره را می سازید، نور هر بار تغییر رنگ آبی بیشتری را تجربه می کند و تصاویر آبی و آبی تر می شوند. برآمدگی امواج در پرتو بیشتر و بیشتر به یکدیگر نزدیک می‌شوند و فواصل زمانی که نور از آن باز می‌گردد کوتاه‌تر و کوتاه‌تر می‌شود. در واقع، یک ذره نور با مشاهده در زمان مناسب تاریخچه محدودی خواهد داشت، حتی اگر دایره‌هایی را در یک منطقه محدود قطع کند و به نقطه منحنی منفرد برخورد نکند.

این واقعیت که ذره ای از نور تاریخ خود را در زمان محدودی تمام می کند، ممکن است ناچیز به نظر برسد. اما من می توانم امکان وجود خطوط جهانی را نیز ثابت کنم که سرعت حرکت در طول آنها کمتر از سرعت نور است و مدت زمان آن محدود است. اینها می تواند داستان ناظرانی باشد که در یک منطقه محدود در مقابل افق گرفتار شده اند و دایره به دایره را سریعتر و سریعتر حرکت می کنند تا زمانی که در زمان محدودی به سرعت نور برسند. بنابراین اگر یک بیگانه بشقاب پرنده زیبا شما را به ماشین زمان خود دعوت کرد، مراقب باشید. می توانید در دام تکرار داستان ها با طول کل محدود بیفتید (شکل 5.9).

این نتایج به معادله انیشتین بستگی ندارد، بلکه فقط به نحوه پیچش فضازمان برای بدست آوردن زمان بستگی دارد. Oحلقه اول در ناحیه انتهایی. اما با این حال، یک تمدن بسیار توسعه یافته می تواند از چه نوع ماده ای برای ساخت ماشین زمان با ابعاد محدود استفاده کند؟ آیا می تواند در همه جا چگالی انرژی مثبت داشته باشد، همانطور که در مورد فضا-زمان رشته کیهانی که در بالا توضیح داده شد؟ ریسمان کیهانی نیاز من به زمان را برآورده نمی کند NSحلقه های e فقط در قسمت انتهایی ظاهر می شوند. اما می توان فکر کرد که این تنها به این دلیل است که طول رشته ها بی نهایت است. ممکن است کسی امیدوار باشد که یک ماشین زمان محدود با استفاده از حلقه های محدودی از رشته های کیهانی بسازد که در همه جا چگالی انرژی مثبت دارند. حیف است افرادی را که مانند کیپ می خواهند به گذشته برگردند ناامید کنیم، اما با حفظ تراکم انرژی مثبت در همه جا نمی توان این کار را انجام داد. من می توانم ثابت کنم که برای ساختن یک ماشین زمان محدود به انرژی منفی نیاز دارید.

در نظریه کلاسیک، چگالی انرژی همیشه مثبت است، به طوری که وجود ماشین زمان محدود در این سطح منتفی است. اما وضعیت در نظریه نیمه کلاسیک تغییر می کند، جایی که رفتار ماده مطابق با نظریه کوانتومی در نظر گرفته می شود و فضا-زمان کاملاً تعریف شده و کلاسیک در نظر گرفته می شود. همانطور که دیدیم، اصل عدم قطعیت در تئوری کوانتومی به این معنی است که میدان ها همیشه بالا و پایین، حتی در فضای به ظاهر خالی، نوسان دارند و چگالی انرژی نامحدودی دارند. از این گذشته، فقط با کم کردن یک مقدار بی نهایت، چگالی انرژی متناهی را که در جهان مشاهده می کنیم به دست می آوریم. این تفریق می تواند چگالی انرژی منفی را نیز حداقل به صورت محلی بدهد. حتی در فضای مسطح، می توان حالت های کوانتومی را پیدا کرد که در آن چگالی انرژی به صورت موضعی منفی است انرژی کلمثبت من نمی دانم که آیا این مقادیر منفی واقعاً فضا-زمان را تاب می دهند تا یک ماشین زمان محدود ظاهر شود؟ به نظر می رسد که آنها باید به این امر منجر شوند. همانطور که از فصل 4 می بینید، نوسانات کوانتومی به این معنی است که حتی فضای به ظاهر خالی نیز با جفت ذرات مجازی پر شده است که با هم ظاهر می شوند، پراکنده می شوند و سپس دوباره همگرا می شوند و با یکدیگر نابود می شوند (شکل 5.10). یکی از عناصر جفت مجازی دارای انرژی مثبت و دیگری دارای انرژی منفی خواهد بود. در حضور یک سیاه‌چاله، ذره‌ای با انرژی منفی می‌تواند روی آن بیفتد و ذره‌ای با انرژی مثبت می‌تواند تا بی نهایت پرواز کند، جایی که شبیه تشعشعی خواهد بود که انرژی مثبت را از سیاهچاله می‌برد. و ذرات با انرژی منفی، سقوط به سیاهچاله، منجر به کاهش جرم آن و تبخیر آهسته، همراه با کاهش در اندازه افق خواهد شد (شکل 5.11).

ماده معمولی با چگالی انرژی مثبت، نیروی گرانشی جذابی ایجاد می‌کند و فضا-زمان را خم می‌کند تا پرتوها به سمت یکدیگر بچرخند، درست مانند توپ روی ورق لاستیکی از فصل 2، همیشه یک توپ کوچک را به سمت خود می‌پیچد و هرگز دور نمی‌شود.

از این نتیجه می شود که مساحت افق سیاهچاله فقط با گذشت زمان افزایش می یابد و هرگز کاهش نمی یابد. برای کاهش افق یک سیاهچاله، چگالی انرژی در افق باید منفی باشد و فضا-زمان باید باعث واگرایی پرتوهای نور شود. این را اولین بار یک روز زمانی که به رختخواب رفتم، مدت کوتاهی پس از تولد دخترم متوجه شدم. دقیقاً نمی گویم چند وقت پیش بود، اما اکنون یک نوه دارم.

تبخیر سیاهچاله‌ها نشان می‌دهد که در سطح کوانتومی، چگالی انرژی می‌تواند گاهی منفی باشد و فضازمان را در جهتی که برای ساخت ماشین زمان لازم است، منحرف کند. بنابراین می توان تمدنی را تصور کرد که در چنان مرحله رشد بالایی است که بتواند به چگالی انرژی منفی به اندازه کافی بزرگ دست یابد تا ماشین زمانی مناسب برای اجرام ماکروسکوپی مانند سفینه های فضایی... با این حال، تفاوت قابل توجهی بین افق یک سیاهچاله، تشکیل شده توسط پرتوهای نوری که فقط به حرکت خود ادامه می دهند، و افق در ماشین زمان، که شامل پرتوهای بسته نور است که مدام به صورت دایره ای می چرخند، وجود دارد. یک ذره مجازی، بارها و بارها در امتداد چنین مسیر بسته ای حرکت می کند، انرژی حالت پایه خود را به همان نقطه می رساند. بنابراین، باید انتظار داشت که در افق، یعنی در مرز ماشین زمان - منطقه ای که در آن می توان به گذشته سفر کرد - چگالی انرژی بی نهایت باشد. این با محاسبات دقیق در تعدادی از موارد خاص تأیید می شود، که به اندازه کافی ساده برای به دست آوردن یک راه حل دقیق هستند. معلوم می شود که یک شخص یا یک کاوشگر فضایی که سعی می کند از افق عبور کند و وارد ماشین زمان شود، به طور کامل توسط پرده تابش نابود می شود (شکل 5.12). بنابراین آینده سفر در زمان بسیار تاریک به نظر می رسد (یا باید بگویم "به طور کورکورانه ای روشن"؟).

چگالی انرژی یک ماده به حالتی که در آن قرار دارد بستگی دارد، بنابراین، شاید یک تمدن بسیار توسعه یافته بتواند چگالی انرژی در مرز ماشین زمان را محدود کند، ذرات مجازی را که در اطراف حرکت می کنند را "یخ بزند" یا حذف کند. در یک حلقه بسته با این حال، هیچ اطمینانی وجود ندارد که چنین ماشین زمانی پایدار باشد: کوچکترین اختلال، برای مثال، شخصی که از افق عبور می کند تا وارد ماشین زمان شود، می تواند گردش ذرات مجازی را شروع کند و باعث سوزاندن رعد و برق شود. فیزیکدانان باید آزادانه و بدون ترس از تمسخر تحقیرآمیز این سؤال را مطرح کنند. حتی اگر معلوم شود که سفر در زمان غیرممکن است، ما متوجه می شویم که چرا غیرممکن است و این مهم است.

برای پاسخ قطعی به سوال مورد بحث، باید نوسانات کوانتومی را نه تنها در میدان های مادی، بلکه خود فضا-زمان را نیز در نظر بگیریم. می توان انتظار داشت که این امر باعث ایجاد تاری در مسیرهای پرتوهای نور و به طور کلی در اصل ترتیب زمانی شود. در واقع، تابش یک سیاهچاله را می توان به عنوان نشت ناشی از نوسانات کوانتومی در فضا-زمان مشاهده کرد که نشان می دهد افق کاملاً دقیق تعیین نشده است. از آنجایی که ما هنوز یک نظریه آماده از گرانش کوانتومی نداریم، دشوار است بگوییم که نوسانات فضا-زمان چه تأثیری باید داشته باشد. صرف نظر از این، می‌توان امیدوار بود که بتوانیم سرنخ‌هایی از خلاصه داستان فاینمن که در فصل 3 توضیح داده شده است، به دست آوریم.

هر داستان یک فضا-زمان منحنی با میدان های مادی در آن خواهد بود. از آنجایی که ما قصد داریم تمام تاریخ های ممکن را جمع کنیم، نه فقط آنهایی که برخی معادلات را برآورده می کنند، مجموع باید شامل فضا-زمان هایی باشد که به اندازه کافی پیچ خورده اند تا در زمان سفر کنند (شکل 5.13). سپس این سؤال مطرح می شود: چرا چنین سفری در همه جا اتفاق نمی افتد؟ پاسخ این است که سفر در زمان در واقع در مقیاس میکروسکوپی انجام می شود، اما ما متوجه آن نمی شویم. اگر ایده فاینمن را در مورد جمع کردن داستان‌ها بر روی یک ذره اعمال کنیم، باید داستان‌هایی را در نظر بگیریم که در آن‌ها سریع‌تر از نور و حتی در زمان به عقب حرکت می‌کند. به طور خاص، داستان هایی وجود خواهد داشت که در آن ذره دایره به دایره در یک حلقه بسته در زمان و مکان حرکت می کند. همانطور که در فیلم "Groundhog Day" که در آن گزارشگر بارها و بارها در همان روز زندگی می کند (شکل 5. 14).

ذرات با چنین تاریخچه های بسته ای را نمی توان در شتاب دهنده ها مشاهده کرد. با این حال، عوارض جانبی آنها را می توان با مشاهده تعدادی از اثرات تجربی اندازه گیری کرد. یکی تغییر جزئی در تابش ساطع شده از اتم های هیدروژن است که به دلیل حرکت الکترون ها در حلقه های بسته ایجاد می شود. نیروی کوچک دیگر بین صفحات فلزی موازی، ناشی از این واقعیت است که حلقه های بسته کمی بین آنها نسبت به نواحی بیرونی وجود دارد، تفسیر معادل دیگری از اثر کازیمیر است. بنابراین، وجود داستان های بسته در یک حلقه با آزمایش تایید می شود (شکل 5.15).

قابل بحث است که آیا چنین تاریخچه های ذرات حلقه ای ارتباطی با انحنای فضازمان دارند، زیرا آنها حتی در برابر پس زمینه ثابتی مانند فضای مسطح به وجود می آیند. ولی در سال های گذشتهما دریافته‌ایم که پدیده‌های فیزیکی اغلب توصیف‌های دوگانه درستی دارند. به همان اندازه می توان گفت که ذرات در حلقه های بسته در برابر یک پس زمینه تغییرناپذیر حرکت می کنند، یا اینکه بی حرکت می مانند، در حالی که فضا-زمان در اطراف آنها در نوسان است. این به این سؤال خلاصه می‌شود: آیا می‌خواهید ابتدا مسیرهای ذرات و سپس فضا-زمان‌های منحنی را جمع کنید یا برعکس؟

بنابراین، به نظر می رسد نظریه کوانتومی امکان سفر در زمان را در مقیاس میکروسکوپی فراهم می کند. اما برای اهداف علمی تخیلی مانند پرواز به گذشته و کشتن پدربزرگتان، این کار چندان فایده ای ندارد. بنابراین، این سؤال باقی می‌ماند: آیا وقتی این احتمال در تاریخ‌ها جمع می‌شود، می‌تواند در فضا-زمان‌ها با حلقه‌های زمانی ماکروسکوپیک به حداکثر برسد؟

این موضوع را می‌توان با در نظر گرفتن مجموع تاریخچه‌های میدان‌های مادی در دنباله‌ای از فضا-زمان‌های پس‌زمینه که هر روز به حلقه‌های زمانی نزدیک‌تر می‌شوند، بررسی کرد. طبیعی است که در زمانی که آن زمان انتظار داشته باشیم آحلقه من برای اولین بار ظاهر می شود، چیزی مهم در حال رخ دادن است. و به همین ترتیب در مثال سادهکه من با شاگردم مایکل کسیدی مطالعه کردم.

فضا-زمان های پس زمینه ای که ما مطالعه کردیم ارتباط نزدیکی با به اصطلاح جهان انیشتین داشتند، فضا-زمانی که انیشتین پیشنهاد کرد زمانی که هنوز معتقد بود جهان در زمان ثابت و تغییرناپذیر است، منبسط یا منقبض نمی شود (به فصل 1 مراجعه کنید). .. در جهان انیشتین، زمان از گذشته ای بی پایان به آینده ای بی پایان می رود. اما ابعاد مکانی محدود و مانند سطح زمین بر روی خود بسته هستند، اما فقط با تعداد ابعاد یک بیشتر. چنین فضا-زمانی را می توان به صورت استوانه ای ترسیم کرد که محور طولی آن زمان و مقطع آن فضایی با سه بعد خواهد بود (شکل 5.16).

از آنجایی که جهان انیشتین در حال انبساط نیست، با جهانی که در آن زندگی می کنیم مطابقت ندارد. با این حال، این یک چارچوب مناسب برای بحث در مورد سفر در زمان است زیرا به اندازه کافی ساده است که در داستان ها خلاصه شود. سفر در زمان را برای لحظه ای فراموش کنید و ماده موجود در جهان انیشتین را در نظر بگیرید که حول یک محور می چرخد. اگر خود را در این محور بیابید، در همان نقطه از فضا می مانید، انگار که در مرکز چرخ فلک کودکان ایستاده اید. اما با قرار گرفتن در کنار محور، در فضای اطراف آن حرکت خواهید کرد. هرچه از محور دورتر باشید، حرکت شما سریعتر خواهد بود (شکل 5.17). بنابراین، اگر جهان در فضا بی نهایت باشد، نقاط به اندازه کافی دور از محور با سرعت فوق العاده می چرخند. اما، از آنجایی که جهان انیشتین از نظر ابعاد فضایی متناهی است، سرعت چرخش حیاتی وجود دارد که در آن هیچ بخشی از آن هنوز سریعتر از نور نمی‌چرخد.

اکنون مجموع تاریخ یک ذره در جهان در حال چرخش اینشتین را در نظر بگیرید. وقتی چرخش آهسته است، مسیرهای زیادی وجود دارد که یک ذره می تواند برای مقدار معینی انرژی طی کند. بنابراین، مجموع تمام تاریخچه‌های ذرات در برابر چنین پس‌زمینه‌ای دامنه بزرگی به دست می‌دهد. این بدان معنی است که احتمال چنین پس‌زمینه‌ای، وقتی در تمام تاریخ‌های فضا-زمان منحنی جمع شود، زیاد خواهد بود، یعنی در میان داستان‌های محتمل‌تر قرار می‌گیرد. با این حال، با نزدیک شدن سرعت چرخش جهان انیشتین به یک نقطه بحرانی، و سرعت حرکت نواحی بیرونی آن به سرعت نور، همچنان باقی می ماند. تنها راهکه قابل قبول است و m برای ذرات کلاسیک در لبه جهان، یعنی حرکت با سرعت نور. این بدان معنی است که مجموع تاریخچه های ذرات کوچک خواهد بود، به این معنی که احتمال چنین فضا-زمانی NS x پس‌زمینه‌های ترکیب شده در تمام تاریخ‌های فضازمان منحنی کم خواهد بود. یعنی کمترین احتمال را خواهند داشت.

اما چه ارتباطی با سفر در زمان و سفر در زمان وجود دارد؟ NSحلقه های متر دارای جهان های در حال چرخش اینشتین هستند؟ پاسخ این است که آنها از نظر ریاضی با پس زمینه های دیگری که در آنها حلقه های زمانی امکان پذیر است معادل هستند. این پس زمینه های دیگر جهان هایی هستند که در دو جهت فضایی در حال گسترش هستند. چنین جهان هایی در جهت بعد سوم که دوره ای است منبسط نمی شوند. یعنی اگر مسافت مشخصی را در این مسیر طی کنید، خود را از کجا شروع کرده اید می یابید. با این حال، با هر دایره در آن جهت، سرعت شما در جهت اول و دوم افزایش می یابد (شکل 5.18).

اگر شتاب کم است، پس زمان NSحلقه های x وجود ندارد. با این حال، دنباله ای از پس زمینه ها را با همه b در نظر بگیرید Oافزایش سرعت بیشتر حلقه های زمانی در یک مقدار بحرانی شتاب ظاهر می شوند. جای تعجب نیست که این شتاب بحرانی با سرعت چرخشی بحرانی جهان های اینشتین مطابقت دارد. از آنجایی که محاسبه مجموع تاریخچه‌ها در هر دو این پس‌زمینه‌ها از نظر ریاضی معادل است، می‌توان نتیجه گرفت که با نزدیک شدن به انحنای مورد نیاز برای بدست آوردن حلقه‌های زمانی، احتمال چنین پس‌زمینه‌هایی به صفر می‌رسد. به عبارت دیگر، احتمال تاب خوردن به اندازه کافی برای ماشین زمان صفر است. این امر آنچه را که من فرضیه حفاظت گاه‌شماری می‌نامم تأیید می‌کند: قوانین فیزیک به گونه‌ای طراحی شده‌اند که اجازه نمی‌دهند اجسام ماکروسکوپی در زمان حرکت کنند.

هر چند موقتی NSاگر حلقه ها هنگام جمع آوری تاریخچه مجاز باشند، احتمال آنها بسیار کم است. بر اساس روابط دوگانه ای که در بالا ذکر شد، احتمال اینکه کیپ تورن بتواند در زمان سفر کند و پدربزرگش را بکشد، تخمین زد: این احتمال کمتر از یک تا ده به توان یک تریلیون تریلیون تریلیون تریلیون تریلیون بود.

این فقط یک احتمال شگفت آور کم است، اما اگر به عکس کیپ دقت کنید، متوجه یک تیرگی جزئی در اطراف لبه ها خواهید شد. این با احتمال ناپدید شدنی اندک مطابقت دارد که یک سرکش از آینده به گذشته سفر کند و پدربزرگش را بکشد، و بنابراین کیپ واقعاً اینجا نیست.

من و کیپ به عنوان قمارباز دوست داریم روی چنین ناهنجاری شرط بندی کنیم. اما مشکل این است که ما نمی‌توانیم این کار را انجام دهیم، زیرا اکنون بر همین عقیده هستیم. و من با هیچ کس شرط نمی بندم. اگر معلوم شود که او یک بیگانه از آینده است، با دانستن این که سفر در زمان ممکن است، چه؟

آیا فکر می کردید این فصل به دستور دولت نوشته شده است تا واقعیت سفر در زمان را پنهان کند؟ شاید حق با شماست

خط جهان مسیری در فضا-زمان چهار بعدی است. خطوط جهان مانند زمان حرکت در فضا را با حرکت طبیعی رو به جلو در زمان ترکیب می کنند. فقط در امتداد چنین خطوطی می توان اشیاء مادی را دنبال کرد.

محدود - داشتن ابعاد محدود.

هاوکینگ، یکی از درخشان‌ترین دانشمندان عصر ما، که نه تنها به دلیل جسارت ایده‌ها، بلکه به دلیل وضوح و هوشمندی بیان آنها شناخته شده است، ما را به خط مقدم تحقیقات می‌برد، جایی که حقیقت عجیب‌تر از تخیل به نظر می‌رسد. اصول حاکم بر جهان را به زبان ساده توضیح دهید.

تصاویر رنگی باشکوه به عنوان نقطه عطفی برای ما در این سفر از طریق سرزمین عجایب عمل می کنند، جایی که ذرات، غشاء و ریسمان ها در یازده بعد حرکت می کنند، جایی که سیاهچاله ها تبخیر می شوند، و جایی که دانه کیهانی که جهان ما از آن رشد کرد یک مهره کوچک بود.

استیون هاوکینگ
یک دنیا به طور خلاصه

پیشگفتار

انتظار نداشتم کتاب علمی عامه پسندم «تاریخ مختصر زمان» تا این حد موفق باشد. این کتاب بیش از چهار سال در فهرست پرفروش‌ترین‌های ساندی تایمز ماندگار شد - طولانی‌تر از هر کتاب دیگری، که مخصوصاً برای یک انتشارات علمی شگفت‌انگیز است، زیرا معمولاً خیلی سریع فروخته نمی‌شوند. سپس مردم شروع به پرسیدن این سوال کردند که چه زمانی باید ادامه داد. مقاومت کردم، نمی خواستم چیزی بنویسم مثل «ادامه یک تاریخ کوتاه» یا «کمی بیشتر» تاریخ طولانیزمان. "و من نیز مشغول تحقیق بودم. اما به تدریج مشخص شد که شما می توانید کتاب دیگری بنویسید که امکان درک آن آسان تر است." تاریخچه مختصر زمان "بر اساس یک طرح خطی ساخته شده است: در بیشتر موارد ، هر فصل بعدی به طور منطقی با فصل قبلی مرتبط است برخی از خوانندگان آن را دوست داشتند، اما برخی دیگر در فصل های اول گیر کردند و هرگز به موضوعات جالب تری نرسیدند. این کتاب ساختار متفاوتی دارد - بیشتر شبیه یک درخت است: فصل های 1 و 2 از کتاب تشکیل شده است. تنه که از آن شاخه های بقیه فصول.

این "انشعابات" تا حد زیادی مستقل از یکدیگر هستند و با دریافت ایده ای از "تنه"، خواننده می تواند به هر ترتیبی با آنها آشنا شود. آنها به حوزه‌هایی مربوط می‌شوند که پس از انتشار تاریخ مختصر زمان در آن‌ها کار کرده‌ام یا به آن فکر کرده‌ام. یعنی آنها فعال ترین مناطق در حال توسعه را نشان می دهند تحقیقات مدرن... در هر فصل، من نیز سعی کردم از آن دور شوم ساختار خطی... تصاویر و زیرنویس‌ها مسیر جایگزینی را در اختیار خواننده قرار می‌دهند، مانند کتاب «تاریخ مختصر زمان مصور» که در سال 1996 منتشر شد. کادرها و یادداشت‌های حاشیه‌ای به برخی از موضوعات اجازه می‌دهند تا عمیق‌تر از آنچه در متن اصلی ممکن است پیش روند.

در سال 1988، زمانی که تاریخچه مختصر زمان برای اولین بار منتشر شد، تصور این بود که نظریه نهاییفقط به سختی در افق ظاهر شد. از آن زمان تا کنون چقدر وضعیت تغییر کرده است؟ آیا به هدف خود نزدیک می شویم؟ همانطور که در این کتاب خواهید آموخت، پیشرفت قابل توجهی بوده است. اما این سفر همچنان ادامه دارد و پایانی در آن دیده نمی شود. به قول معروف بهتر است سفر را با امید ادامه دهیم تا اینکه به هدف برسید. جستجوها و اکتشافات ما به خلاقیت در همه زمینه ها دامن می زند، نه تنها در علم. اگر به انتهای راه برسیم، روح انسان خشک می شود و می میرد. اما من فکر نمی‌کنم که ما هرگز متوقف نشویم: اگر نه در عمق، در جهت پیچیدگی حرکت خواهیم کرد و همیشه در مرکز یک افق در حال گسترش از احتمالات باقی می‌مانیم.

دستیاران زیادی در کار روی این کتاب داشتم. من به‌ویژه می‌خواهم از توماس هرتوگ و نیل شیرر به‌خاطر کمک‌شان در طراحی‌ها، شرح‌ها و ستون‌های فرعی، آن هریس و کیتی فرگوسن که دست‌نویس را ویرایش کردند (یا دقیق‌تر فایل‌های رایانه‌ای، زیرا هر چیزی که من می‌نویسم به شکل الکترونیکی ظاهر می‌شود) تشکر کنم. لابراتوار کتاب و طراحی Moonrunner که تصاویر را خلق کرده است. اما همچنین، می‌خواهم از همه کسانی که به من این فرصت را دادند تا یک زندگی عادی و تمرین کنم تشکر کنم تحقیق علمی... این کتاب بدون آنها نوشته نمی شد.

فصل 1
تاریخچه مختصری از نسبیت

چگونه اینشتین پایه ها را بنا نهاد
دو نظریه بنیادی قرن بیستم:
نسبیت عام و مکانیک کوانتومی

آلبرت انیشتین، خالق نسبیت خاص و عام، در سال 1879 در شهر اولم آلمان به دنیا آمد، بعداً خانواده به مونیخ نقل مکان کردند، جایی که پدر دانشمند آینده، هرمان، و عمویش، یعقوب، کوچک و غیره داشتند. شرکت مهندسی برق بسیار موفق آلبرت یک کودک نابغه نبود، اما ادعا می کند که او در مدرسه خوب عمل نکرده است، اغراق آمیز به نظر می رسد. در سال 1894 تجارت پدرش ورشکست شد و خانواده به میلان نقل مکان کردند. پدر و مادرش تصمیم گرفتند آلبرت را تا فارغ التحصیلی در آلمان بگذارند، اما او نتوانست اقتدارگرایی آلمانی را تحمل کند و چند ماه بعد مدرسه را رها کرد و به ایتالیا رفت تا با خانواده اش زندگی کند. او بعداً تحصیلات خود را در زوریخ به پایان رساند و در سال 1900 دیپلمی از پلی تکنیک معتبر دریافت کرد. E idgenössische تی echnische اچ ochschule - مدرسه عالی فنی). گرایش انیشتین به مشاجره و نفرت از مافوقش، او را از برقراری روابط با اساتید ETH باز داشت، به طوری که هیچ یک از آنها موقعیت دستیار را که معمولاً یک حرفه آکادمیک با آن شروع می شد به او پیشنهاد نکردند. تنها دو سال بعد، مرد جوان بالاخره توانست به عنوان یک منشی جوان در اداره ثبت اختراع سوئیس در برن شغلی پیدا کند. در این دوره، در سال 1905، او سه مقاله نوشت که نه تنها اینشتین را به یکی از دانشمندان برجسته در جهان تبدیل کرد، بلکه دو انقلاب علمی را آغاز کرد - انقلاب‌هایی که درک ما از زمان، مکان و خود واقعیت را تغییر دادند.

به اواخر نوزدهمقرن‌ها، دانشمندان بر این باور بودند که به توصیف جامعی از جهان نزدیک شده‌اند. طبق ایده آنها، فضا با یک محیط پیوسته - "اتر" پر شد. پرتوهای نور و سیگنال های رادیویی به عنوان امواج اتر در نظر گرفته می شدند، همانطور که صدا امواج چگالی هوا است. تنها چیزی که برای تکمیل این نظریه لازم بود اندازه گیری دقیق خواص کشسانی اتر بود. با در نظر گرفتن این وظیفه، آزمایشگاه جفرسونیان در دانشگاه هاروارد بدون یک میخ آهنی ساخته شد تا از تداخل احتمالی در بهترین اندازه گیری های مغناطیسی جلوگیری شود. با این حال، طراحان فراموش کرده اند که آجر قهوه ای مایل به قرمزی که در ساخت آزمایشگاه و بیشتر ساختمان های دیگر در هاروارد استفاده شده است، حاوی مقدار قابل توجهی آهن است. این ساختمان تا به امروز خدمت می‌کند، اما در هاروارد نمی‌دانند که طبقه‌های کتابخانه‌ای که میخ‌های آهنی ندارند چقدر می‌توانند تحمل کنند.

در اواخر قرن، مفهوم اتر فراگیر شروع به مشکلاتی کرد. انتظار می‌رفت که نور با سرعت ثابتی از اتر عبور کند، اما اگر خود شما در همان جهت نور در اتر حرکت می‌کنید، سرعت نور باید کندتر به نظر برسد و اگر در جهت مخالف حرکت می‌کنید، سرعت نور بیشتر خواهد بود (شکل 1.1).

استیون هاوکینگ

یک دنیا به طور خلاصه

پیشگفتار

انتظار نداشتم کتاب علمی عامه پسندم «تاریخ مختصر زمان» تا این حد موفق باشد. این کتاب بیش از چهار سال در فهرست پرفروش‌ترین‌های ساندی تایمز ماندگار شد - طولانی‌تر از هر کتاب دیگری، که مخصوصاً برای یک انتشارات علمی شگفت‌انگیز است، زیرا معمولاً خیلی سریع فروخته نمی‌شوند. سپس مردم شروع به پرسیدن این سوال کردند که چه زمانی باید ادامه داد. مقاومت کردم، نمی خواستم چیزی مثل «ادامه یک تاریخ کوتاه» یا «تاریخ کمی طولانی تر زمان» بنویسم. من هم مشغول تحقیق بودم. اما به تدریج مشخص شد که می توان کتاب دیگری نوشت که امکان درک آن آسان تر است. تاریخچه مختصر زمان به شکل خطی ساختار یافته بود: در بیشتر موارد، هر فصل بعدی به طور منطقی با فصل های قبل مرتبط است. برخی از خوانندگان این را دوست داشتند، اما برخی دیگر، که در فصل های اولیه مانده بودند، هرگز به موضوعات جالب تری نرسیدند. این کتاب ساختار متفاوتی دارد - بیشتر شبیه یک درخت است: فصل‌های 1 و 2 تنه‌ای را تشکیل می‌دهند که شاخه‌های فصل‌های باقی‌مانده از آن بیرون می‌آیند.

این "شاخه ها" تا حد زیادی مستقل از یکدیگر هستند، و با دریافت ایده ای از "تنه"، خواننده می تواند آنها را به هر ترتیبی بشناسد. آنها به حوزه‌هایی مربوط می‌شوند که پس از انتشار تاریخ مختصر زمان در آن‌ها کار کرده‌ام یا به آن فکر کرده‌ام. یعنی آنها منعکس کننده فعال ترین زمینه های در حال توسعه تحقیقات مدرن هستند. در هر فصل سعی کردم از ساختار خطی دور شوم. تصاویر و زیرنویس‌ها مسیر جایگزینی را در اختیار خواننده قرار می‌دهند، مانند کتاب «تاریخ مختصر زمان مصور» که در سال 1996 منتشر شد. کادرها و یادداشت‌های حاشیه‌ای به برخی از موضوعات اجازه می‌دهند تا عمیق‌تر از آنچه در متن اصلی ممکن است پیش روند.

در سال 1988، زمانی که تاریخچه مختصر زمان برای اولین بار منتشر شد، تصور این بود که نظریه قطعی همه چیز به سختی در افق بود. از آن زمان تا کنون چقدر وضعیت تغییر کرده است؟ آیا به هدف خود نزدیک می شویم؟ همانطور که در این کتاب خواهید آموخت، پیشرفت قابل توجهی بوده است. اما این سفر همچنان ادامه دارد و پایانی در آن دیده نمی شود. به قول معروف بهتر است سفر را با امید ادامه دهیم تا اینکه به هدف برسید. جستجوها و اکتشافات ما به خلاقیت در همه زمینه ها دامن می زند، نه تنها در علم. اگر به انتهای راه برسیم، روح انسان خشک می شود و می میرد. اما من فکر نمی‌کنم که ما هرگز متوقف نشویم: اگر نه در عمق، در جهت پیچیدگی حرکت خواهیم کرد و همیشه در مرکز یک افق در حال گسترش از احتمالات باقی می‌مانیم.

دستیاران زیادی در کار روی این کتاب داشتم. من به‌ویژه می‌خواهم از توماس هرتوگ و نیل شیرر به‌خاطر کمک‌شان در طراحی‌ها، شرح‌ها و ستون‌های فرعی، آن هریس و کیتی فرگوسن که دست‌نویس را ویرایش کردند (یا دقیق‌تر فایل‌های رایانه‌ای، زیرا هر چیزی که من می‌نویسم به شکل الکترونیکی ظاهر می‌شود) تشکر کنم. لابراتوار کتاب و طراحی Moonrunner که تصاویر را خلق کرده است. اما همچنین، می‌خواهم از همه کسانی که به من فرصت زندگی عادی و انجام تحقیقات علمی را دادند تشکر کنم. این کتاب بدون آنها نوشته نمی شد.

تاریخچه مختصری از نسبیت

چگونه اینشتین پایه ها را بنا نهاد

دو نظریه بنیادی قرن بیستم:

نسبیت عام و مکانیک کوانتومی

در پایان قرن نوزدهم، دانشمندان بر این باور بودند که به توصیف جامع کیهان نزدیک شده‌اند. طبق ایده آنها، فضا با یک محیط پیوسته - "اتر" پر شد. پرتوهای نور و سیگنال های رادیویی به عنوان امواج اتر در نظر گرفته می شدند، همانطور که صدا امواج چگالی هوا است. تنها چیزی که برای تکمیل این نظریه لازم بود اندازه گیری دقیق خواص کشسانی اتر بود. با در نظر گرفتن این وظیفه، آزمایشگاه جفرسونیان در دانشگاه هاروارد بدون یک میخ آهنی ساخته شد تا از تداخل احتمالی در بهترین اندازه گیری های مغناطیسی جلوگیری شود. با این حال، طراحان فراموش کرده اند که آجر قهوه ای مایل به قرمزی که در ساخت آزمایشگاه و بیشتر ساختمان های دیگر در هاروارد استفاده شده است، حاوی مقدار قابل توجهی آهن است. این ساختمان تا به امروز خدمت می‌کند، اما در هاروارد نمی‌دانند که طبقه‌های کتابخانه‌ای که میخ‌های آهنی ندارند چقدر می‌توانند تحمل کنند.

برنج. 1.1 نظریه اتر ساکن

اگر نور موجی در یک ماده کشسان به نام اتر بود، سرعت آن برای کسی که در یک سفینه فضایی به سمت آن حرکت می کند (الف) بیشتر و برای کسی که در همان جهت نور حرکت می کند (b) کمتر به نظر می رسید.

با این حال، در تعدادی از آزمایش ها، این ایده ها تایید نشده است. دقیق ترین و صحیح ترین آنها در سال 1887 توسط آلبرت مایکلسون و ادوارد مورلی در دانشکده علوم کاربردی کیس، کلیولند، اوهایو انجام شد. آنها سرعت نور را در دو پرتو که در زاویه قائم به یکدیگر حرکت می کنند، مقایسه کردند. از آنجایی که زمین حول محور خود می چرخد و به دور خورشید می چرخد، سرعت و جهت حرکت تجهیزات از طریق اتر تغییر می کند (شکل 1.2). اما مایکلسون و مورلی هیچ تفاوت روزانه یا سالانه ای در سرعت نور در دو پرتو پیدا نکردند. معلوم شد که نور همیشه نسبت به شما با همان سرعت حرکت می کند، صرف نظر از اینکه خودتان چقدر سریع و در کدام جهت حرکت می کنید (شکل 1.3).

برنج. 1.2

هیچ تفاوتی بین سرعت نور در جهت مدار زمین و سرعت نور در جهت عمود پیدا نشد.

بر اساس آزمایش مایکلسون-مورلی، فیزیکدان ایرلندی جورج فیتزجرالد و فیزیکدان هلندی هندریک لورنز پیشنهاد کردند که اجسامی که در اتر حرکت می کنند باید منقبض شوند و ساعت ها باید کند شوند. این فشرده‌سازی و کاهش سرعت به‌گونه‌ای است که افراد بدون توجه به اینکه چگونه نسبت به اتر حرکت می‌کنند، همیشه همان سرعت نور را در اندازه‌گیری‌ها دریافت می‌کنند. (فیتزجرالد و لورنز هنوز اتر را یک ماده واقعی می دانستند.) با این حال، در مقاله ای که در ژوئن 1905 نوشته شد، انیشتین خاطرنشان کرد که اگر هیچ کس نتواند تعیین کند که آیا اتر در حال حرکت در اتر است یا نه، آنگاه مفهوم اتر اضافی می شود. . در عوض، او با این فرض شروع کرد که قوانین فیزیک باید برای همه ناظران آزادانه یکسان باشد. به طور خاص، همه آنها، با اندازه گیری سرعت نور، باید یک مقدار را دریافت کنند، مهم نیست که چقدر سریع حرکت می کنند. سرعت نور مستقل از حرکات آنهاست و در همه جهات یکسان است.

در سال 1988، کتاب «تاریخ مختصر زمان» استیون هاوکینگ که رکوردهای فروش را شکست، خوانندگان سراسر جهان را با ایده های این فیزیکدان نظری قابل توجه آشنا کرد. و این هم یک رویداد بزرگ دیگر: هاوکینگ بازگشت! یک دنباله با مصور فوق العاده - "دنیا به طور خلاصه" - ماهیت اکتشافات علمیکه پس از انتشار اولین کتاب تحسین شده او ساخته شد.

هاوکینگ، یکی از درخشان‌ترین دانشمندان عصر ما، که نه تنها به دلیل جسارت ایده‌ها، بلکه به دلیل وضوح و هوشمندی بیان آنها شناخته شده است، ما را به خط مقدم تحقیقات می‌برد، جایی که حقیقت عجیب‌تر از تخیل به نظر می‌رسد. اصول حاکم بر جهان را به زبان ساده توضیح دهید.

مانند بسیاری از فیزیکدانان نظری، هاوکینگ مشتاق یافتن جام مقدس علم است - نظریه همه چیز، که در شالوده کیهان قرار دارد. این به ما اجازه می دهد تا اسرار جهان را لمس کنیم: از ابرگرانش تا ابر تقارن، از نظریه کوانتومی تا نظریه M، از هولوگرافی تا دوگانگی. همراه با او، زمانی که او درباره تلاش‌هایی برای خلق کردن، بر اساس نظریه نسبیت عام انیشتین و ایده کثرت داستان ارائه شده توسط ریچارد فاینمن، صحبت می‌کند، وارد یک ماجراجویی هیجان‌انگیز می‌شویم، نظریه‌ای یکپارچه کامل که همه چیز را توصیف خواهد کرد. در کیهان اتفاق می افتد

ما او را در سفری خارق‌العاده در فضا-زمان همراهی می‌کنیم و تصاویر رنگی باشکوه به عنوان نقطه عطفی در این سفر از طریق سرزمین عجایب سورئال عمل می‌کنند، جایی که ذرات، غشاها و ریسمان‌ها در یازده بعد حرکت می‌کنند، جایی که سیاه‌چاله‌ها تبخیر می‌شوند و اسرارشان را با خود می‌برند. جایی که دانه کیهانی که کیهان ما از آن رشد کرد، یک مهره کوچک بود.

استیون هاوکینگ
کیهان به طور خلاصه
ترجمه از انگلیسی توسط A.G. Sergeev
این نشریه با حمایت بنیاد سلسله دیمیتری زیمین تهیه شد
SPb: آمفورا. TID Amphora, 2007 .-- 218 p.

فصل 5. دفاع از گذشته

در مورد اینکه آیا سفر در زمان امکان پذیر است و آیا تمدن بسیار توسعه یافته با بازگشت به گذشته قادر به تغییر آن است یا خیر

از آنجایی که استیون هاوکینگ (که شرط قبلی را در مورد این موضوع باخت، الزامات را به شکلی ناکافی کلی مطرح کرد) کاملاً متقاعد شده است که تکینگی های برهنه نفرین شده و باید توسط قوانین فیزیک کلاسیک منع شوند، و از آنجایی که جان پریسکل و کیپ تورن (که برنده شرط قبلی) روی - هنوز هم اعتقاد بر این است که تکینگی های برهنه به عنوان اجسام گرانشی کوانتومی می توانند بدون پوشاندن افق در کیهان که مشاهده می کنیم وجود داشته باشند، هاوکینگ پیشنهاد داد، و Preskill / Thorne شرط زیر را پذیرفت:

از آنجایی که هر شکلی از ماده یا میدان کلاسیک که نمی تواند در فضا-زمان مسطح تکی شود، از معادلات کلاسیک نظریه نسبیت عام انیشتین تبعیت می کند، تکامل دینامیکی از هر شرایط اولیه (یعنی از هر مجموعه باز از داده های اولیه) هرگز نمی تواند ایجاد یک تکینگی برهنه (یک ژئودزیک صفر ناقص از I + با یک نقطه پایانی در گذشته).

بازنده با لباس به برنده پاداش می دهد تا برهنگی خود را بپوشاند. لباس باید با پیامی متناسب با موقعیت گلدوزی شود.

اساس تمام بحث های مدرن سفر در زمان، نظریه نسبیت عام اینشتین است. همانطور که در فصل های قبلی مشاهده شد، معادلات انیشتین با توصیف چگونگی خم شدن و اعوجاج آنها توسط ماده و انرژی در جهان، فضا و زمان را پویا می کند. در نسبیت عام، زمان شخصی هر کسی که با یک ساعت مچی اندازه گیری می شود، همیشه افزایش می یابد، درست مانند نظریه نیوتن یا در فضا-زمان مسطح نسبیت خاص. اما شاید فضا-زمان آنقدر می چرخد که بتوانید با یک سفینه فضایی پرواز کنید و قبل از حرکت بازگردید (شکل 5.1).

البته، تناقض در اینجا تنها در صورتی به دست می آید که فرض کنیم، یک بار در گذشته، می توانید آنچه را که می خواهید انجام دهید. این کتاب جای بحث های فلسفی در مورد اختیار نیست. در عوض، ما بر روی این موضوع تمرکز خواهیم کرد که آیا قوانین فیزیک اجازه می‌دهند فضازمان بپیچد تا جسم ماکروسکوپی مانند یک سفینه فضایی بتواند به گذشته خود بازگردد. طبق نظریه انیشتین، یک فضاپیما همیشه با سرعتی کمتر از سرعت محلی نور در فضا-زمان حرکت می کند و از خط به اصطلاح جهان مانند زمان پیروی می کند. این به ما امکان می‌دهد تا این سؤال را با شرایط فنی مجدداً فرمول بندی کنیم: آیا می‌توان منحنی‌های زمان مانند بسته‌ای در فضا-زمان وجود داشت، یعنی منحنی‌هایی که بارها و بارها به نقطه شروع خود باز می‌گردند؟ من چنین مسیرهایی را "زمانی" می نامم NSحلقه های mi ".

راه حل گودل مستلزم ارائه یک ثابت کیهانی بود که ممکن است در واقعیت وجود نداشته باشد، اما بعدها راه حل های مشابهی بدون ثابت کیهانی پیدا شد. یک مورد به خصوص جالب زمانی است که دو رشته کیهانی با سرعت زیاد از کنار یکدیگر عبور می کنند.

ریسمان های کیهانی را نباید با اشیاء ابتدایی نظریه ریسمان، که کاملاً با آنها بی ارتباط هستند، اشتباه گرفت. چنین اجسامی دارای پسوند هستند، اما در عین حال دارای مقطع بسیار کوچکی هستند. وجود آنها در برخی از نظریه های ذرات بنیادی پیش بینی شده است. فضا-زمان خارج از یک رشته کیهانی منفرد مسطح است. با این حال، این فضازمان مسطح دارای یک بریدگی گوه‌ای شکل است که راس آن دقیقاً روی ریسمان قرار دارد. شبیه یک مخروط است: یک دایره بزرگ کاغذ بردارید و قسمتی شبیه پای را از آن جدا کنید و قسمت بالایی آن در مرکز دایره باشد. پس از برداشتن قطعه برش، لبه های برش را در بقیه قطعه بچسبانید - یک مخروط به دست می آورید. این فضا-زمان را نشان می دهد که در آن رشته کیهانی وجود دارد (شکل 5.5).

به طور مشابه، بخش حذف شده از فضا-زمان مسطح، دایره های اطراف رشته کیهانی را کوتاه می کند، اما بر زمان یا فاصله در طول آن تأثیر نمی گذارد. این بدان معنی است که فضا-زمان در اطراف یک رشته کیهانی منفرد حاوی زمان نیست NS x حلقه می شود و بنابراین سفر به گذشته امکان پذیر نیست. با این حال، اگر رشته کیهانی دومی وجود داشته باشد که نسبت به رشته اول حرکت کند، جهت زمانی آن ترکیبی از تغییرات زمانی و مکانی رشته اول خواهد بود. این بدان معنی است که بخشی که توسط رشته دوم قطع می شود، هر دو فاصله را در فاصله زمانی و مکانی برای ناظری که با رشته اول حرکت می کند، کوتاه می کند (شکل 5.7). اگر رشته ها نسبت به یکدیگر با سرعت نزدیک به نور در حال حرکت باشند، کاهش زمان برای عبور از هر دو رشته می تواند آنقدر قابل توجه باشد که زودتر از شروع بازگردید. به عبارت دیگر، موقتی وجود دارد NS e حلقه هایی که در طول آن می توانید به گذشته سفر کنید.

رشته های کیهانی حاوی ماده ای با چگالی انرژی مثبت هستند که با فیزیک شناخته شده امروزی سازگار است. با این حال، پیچش فضا، که منجر به زمانی می شود NSحلقه های e، تا بی نهایت در فضا و به گذشته بی نهایت در زمان کشیده می شود. بنابراین چنین ساختارهای فضا-زمان در ابتدا، با ساخت، امکان سفر در زمان را فراهم می کنند. هیچ دلیلی وجود ندارد که باور کنیم جهان خودمان به این شکل انحرافی طراحی شده است، ما هیچ مدرک قابل اعتمادی از ظهور مهمانانی از آینده نداریم. (من تئوری های توطئه مبنی بر اینکه بشقاب پرنده ها از آینده می آیند را در نظر نمی گیرم، و دولت در مورد آن می داند، اما حقیقت را پنهان می کند. NSحلقه های x در گذشته دور یا به عبارت دقیق تر، در گذشته نسبت به سطحی در فضا-زمان نبودند، که به آن اشاره خواهم کرد. اس... سوال این است: آیا تمدن بسیار توسعه یافته می تواند ماشین زمان بسازد؟ یعنی آیا می تواند فضا-زمان را در آینده نسبت به اس(در بالای سطح اسدر نمودار) به طوری که حلقه ها فقط در ناحیه اندازه نهایی ظاهر شوند؟ من در مورد یک منطقه محدود صحبت می کنم زیرا مهم نیست که یک تمدن چقدر پیشرفته باشد، به نظر می رسد که می تواند تنها بخش محدودی از جهان را کنترل کند. در علم، فرمول بندی صحیح یک مسئله اغلب به معنای یافتن کلید راه حل آن است و موردی که در نظر داریم همین است برای آن خوب استتصویر. برای تعریف ماشین زمان متناهی به یکی از کارهای قدیمی خود می پردازم. سفر در زمان در منطقه خاصی از فضا-زمان امکان پذیر است، جایی که زمان وجود دارد NSحلقه‌های e، یعنی مسیرهایی با سرعت زیر نوری حرکت، که با این وجود به دلیل انحنای فضا-زمان موفق می‌شوند به مکان و زمان اصلی خود بازگردند. از آنجایی که من این را در گذشته های دور فرض می کردم NS x هیچ حلقه ای وجود نداشت، باید چیزی وجود داشته باشد که من آن را "افق سفر در زمان" می نامم - مرزی که منطقه حاوی زمان را از هم جدا می کند. NSحلقه های e، از ناحیه ای که نیستند (شکل 5.8).

با اتخاذ چنین معیار ماشین زمان، فرصت فوق العاده ای برای استفاده از روش هایی که راجر پنروز و من توسعه دادیم برای مطالعه تکینگی ها و سیاهچاله ها وجود دارد. حتی بدون استفاده از معادلات انیشتین، می توانم این را نشان دهم مورد کلیافق محدود تولید شده حاوی پرتوهای نوری خواهد بود که به هم می رسند و بارها و بارها به همان نقطه باز می گردند. همانطور که دایره را می سازید، نور هر بار تغییر رنگ آبی بیشتری را تجربه می کند و تصاویر آبی و آبی تر می شوند. برآمدگی امواج در پرتو بیشتر و بیشتر به یکدیگر نزدیک می‌شوند و فواصل زمانی که نور از آن باز می‌گردد کوتاه‌تر و کوتاه‌تر می‌شود. در واقع، یک ذره نور با مشاهده در زمان مناسب تاریخچه محدودی خواهد داشت، حتی اگر دایره‌هایی را در یک منطقه محدود قطع کند و به نقطه منحنی منفرد برخورد نکند.

این واقعیت که ذره ای از نور تاریخ خود را در زمان محدودی تمام می کند، ممکن است ناچیز به نظر برسد. اما من می توانم امکان وجود خطوط جهانی را نیز ثابت کنم که سرعت حرکت در طول آنها کمتر از سرعت نور است و مدت زمان آن محدود است. اینها می تواند داستان ناظرانی باشد که در یک منطقه محدود در مقابل افق گرفتار شده اند و دایره به دایره را سریعتر و سریعتر حرکت می کنند تا زمانی که در زمان محدودی به سرعت نور برسند. بنابراین اگر یک بیگانه بشقاب پرنده زیبا شما را به ماشین زمان خود دعوت کرد، مراقب باشید. شما می توانید در دام تکرار داستان ها با مدت زمان کل محدود بیفتید (شکل 5.9).

این نتایج به معادله انیشتین بستگی ندارد، بلکه فقط به نحوه پیچش فضازمان برای بدست آوردن زمان بستگی دارد. Oحلقه اول در ناحیه انتهایی. اما با این حال، یک تمدن بسیار توسعه یافته می تواند از چه نوع ماده ای برای ساخت ماشین زمان با ابعاد محدود استفاده کند؟ آیا می تواند در همه جا چگالی انرژی مثبت داشته باشد، همانطور که در مورد فضا-زمان رشته کیهانی که در بالا توضیح داده شد؟ ریسمان کیهانی نیاز من به زمان را برآورده نمی کند NSحلقه های e فقط در ناحیه ترمینال ظاهر می شوند. اما می توان فکر کرد که این تنها به این دلیل است که طول رشته ها بی نهایت است. ممکن است کسی امیدوار باشد که یک ماشین زمان محدود با استفاده از حلقه های محدودی از رشته های کیهانی بسازد که در همه جا چگالی انرژی مثبت دارند. حیف است افرادی را که مانند کیپ می خواهند به گذشته برگردند ناامید کنیم، اما با حفظ تراکم انرژی مثبت در همه جا نمی توان این کار را انجام داد. من می توانم ثابت کنم که برای ساختن یک ماشین زمان محدود به انرژی منفی نیاز دارید.

در نظریه کلاسیک، چگالی انرژی همیشه مثبت است، به طوری که وجود ماشین زمان محدود در این سطح منتفی است. اما وضعیت در نظریه نیمه کلاسیک تغییر می کند، جایی که رفتار ماده مطابق با نظریه کوانتومی در نظر گرفته می شود و فضا-زمان کاملاً تعریف شده و کلاسیک در نظر گرفته می شود. همانطور که دیدیم، اصل عدم قطعیت در تئوری کوانتومی به این معنی است که میدان ها همیشه بالا و پایین، حتی در فضای به ظاهر خالی، نوسان دارند و چگالی انرژی نامحدودی دارند. از این گذشته، فقط با کم کردن یک مقدار بی نهایت، چگالی انرژی متناهی را که در جهان مشاهده می کنیم به دست می آوریم. این تفریق می تواند چگالی انرژی منفی را نیز حداقل به صورت محلی بدهد. حتی در فضای مسطح، می توان حالت های کوانتومی را پیدا کرد که در آن چگالی انرژی به صورت موضعی منفی است، اگرچه انرژی کل مثبت است. من نمی دانم که آیا این مقادیر منفی واقعاً فضا-زمان را تاب می دهند تا یک ماشین زمان محدود ظاهر شود؟ به نظر می رسد که آنها باید به این امر منجر شوند. همانطور که از فصل 4 می بینید، نوسانات کوانتومی به این معنی است که حتی فضای به ظاهر خالی نیز با جفت ذرات مجازی پر شده است که با هم ظاهر می شوند، پراکنده می شوند و سپس دوباره همگرا می شوند و با یکدیگر نابود می شوند (شکل 5.10). یکی از عناصر جفت مجازی دارای انرژی مثبت و دیگری دارای انرژی منفی خواهد بود. در حضور یک سیاه‌چاله، ذره‌ای با انرژی منفی می‌تواند روی آن بیفتد و ذره‌ای با انرژی مثبت می‌تواند تا بی نهایت پرواز کند، جایی که شبیه تشعشعی خواهد بود که انرژی مثبت را از سیاهچاله می‌برد. و ذرات با انرژی منفی، سقوط به سیاهچاله، منجر به کاهش جرم آن و تبخیر آهسته، همراه با کاهش در اندازه افق خواهد شد (شکل 5.11).

تبخیر سیاهچاله‌ها نشان می‌دهد که در سطح کوانتومی، چگالی انرژی می‌تواند گاهی منفی باشد و فضازمان را در جهتی که برای ساخت ماشین زمان لازم است، منحرف کند. بنابراین می‌توان تمدنی را در چنین مرحله‌ای از توسعه تصور کرد که بتواند به یک چگالی انرژی منفی به اندازه کافی بزرگ دست یابد تا ماشین زمانی به دست آورد که برای اجرام ماکروسکوپی مانند سفینه‌های فضایی مناسب باشد. با این حال، تفاوت قابل توجهی بین افق یک سیاهچاله، تشکیل شده توسط پرتوهای نوری که فقط به حرکت خود ادامه می دهند، و افق در ماشین زمان، که شامل پرتوهای بسته نور است که مدام به صورت دایره ای می چرخند، وجود دارد. یک ذره مجازی، بارها و بارها در امتداد چنین مسیر بسته ای حرکت می کند، انرژی حالت پایه خود را به همان نقطه می رساند. بنابراین، باید انتظار داشت که در افق، یعنی در مرز ماشین زمان - منطقه ای که در آن می توان به گذشته سفر کرد - چگالی انرژی بی نهایت باشد. این با محاسبات دقیق در تعدادی از موارد خاص تأیید می شود، که به اندازه کافی ساده برای به دست آوردن یک راه حل دقیق هستند. معلوم می شود که یک شخص یا یک کاوشگر فضایی که سعی می کند از افق عبور کند و وارد ماشین زمان شود، به طور کامل توسط پرده تابش نابود می شود (شکل 5.12). بنابراین آینده سفر در زمان بسیار تاریک به نظر می رسد (یا باید بگویم "به طور کورکورانه ای روشن"؟).

هر داستان یک فضا-زمان منحنی با میدان های مادی در آن خواهد بود. از آنجایی که ما قصد داریم تمام تاریخ‌های ممکن را جمع کنیم، نه فقط آن‌هایی که برخی معادلات را برآورده می‌کنند، مجموع باید شامل آن فضا-زمان‌هایی باشد که به اندازه کافی برای سفر به عقب در زمان پیچ خورده‌اند (شکل 5.13). سپس این سؤال مطرح می شود: چرا چنین سفری در همه جا اتفاق نمی افتد؟ پاسخ این است که سفر در زمان در واقع در مقیاس میکروسکوپی انجام می شود، اما ما متوجه آن نمی شویم. اگر ایده فاینمن را در مورد جمع کردن داستان‌ها بر روی یک ذره اعمال کنیم، باید داستان‌هایی را در نظر بگیریم که در آن‌ها سریع‌تر از نور و حتی در زمان به عقب حرکت می‌کند. به طور خاص، داستان هایی وجود خواهد داشت که در آن ذره در یک حلقه بسته در زمان و مکان به دور و دور حرکت می کند. همانطور که در فیلم "Groundhog Day" که در آن گزارشگر بارها و بارها در همان روز زندگی می کند (شکل 5. 14).

قابل بحث است که آیا چنین تاریخچه های ذرات حلقه ای ارتباطی با انحنای فضازمان دارند، زیرا آنها حتی در برابر پس زمینه ثابتی مانند فضای مسطح به وجود می آیند. اما در سال‌های اخیر دریافته‌ایم که پدیده‌های فیزیکی اغلب توصیف‌های دوگانه درستی دارند. به همان اندازه می توان گفت که ذرات در حلقه های بسته در برابر یک پس زمینه تغییرناپذیر حرکت می کنند، یا اینکه بی حرکت می مانند، در حالی که فضا-زمان در اطراف آنها در نوسان است. این به این سؤال خلاصه می‌شود: آیا می‌خواهید ابتدا مسیرهای ذرات و سپس فضا-زمان‌های منحنی را جمع کنید یا برعکس؟

این موضوع را می‌توان با در نظر گرفتن مجموع تاریخچه‌های میدان‌های مادی در دنباله‌ای از فضا-زمان‌های پس‌زمینه که هر روز به حلقه‌های زمانی نزدیک‌تر می‌شوند، بررسی کرد. طبیعی است که در زمانی که آن زمان انتظار داشته باشیم آحلقه من برای اولین بار ظاهر می شود، چیزی مهم در حال رخ دادن است. این همان چیزی است که در یک مثال ساده که با شاگردم مایکل کسیدی مطالعه کردم اتفاق افتاد.

اکنون مجموع تاریخ یک ذره در جهان در حال چرخش اینشتین را در نظر بگیرید. وقتی چرخش آهسته است، مسیرهای زیادی وجود دارد که یک ذره می تواند برای مقدار معینی انرژی طی کند. بنابراین، مجموع تمام تاریخچه‌های ذرات در برابر چنین پس‌زمینه‌ای دامنه بزرگی به دست می‌دهد. این بدان معنی است که احتمال چنین پس‌زمینه‌ای، وقتی در تمام تاریخ‌های فضا-زمان منحنی جمع شود، زیاد خواهد بود، یعنی در میان داستان‌های محتمل‌تر قرار می‌گیرد. با این حال، با نزدیک شدن سرعت چرخش جهان انیشتین به یک نقطه بحرانی، و سرعت حرکت نواحی بیرونی آن به سرعت نور، تنها راه مجاز باقی می‌ماند. و m برای ذرات کلاسیک در لبه جهان، یعنی حرکت با سرعت نور. این بدان معنی است که مجموع تاریخچه های ذرات کوچک خواهد بود، به این معنی که احتمال چنین فضا-زمانی NS x پس‌زمینه در کل تاریخچه‌های فضازمان منحنی کم خواهد بود. یعنی کمترین احتمال را خواهند داشت.

اگر شتاب کم است، پس زمان NSحلقه های x وجود ندارد. با این حال، دنباله ای از پس زمینه ها را با همه b در نظر بگیرید Oافزایش بیشتر در سرعت حلقه های زمانی در یک مقدار بحرانی شتاب ظاهر می شوند. جای تعجب نیست که این شتاب بحرانی با سرعت چرخشی بحرانی جهان های اینشتین مطابقت دارد. از آنجایی که محاسبه مجموع تاریخچه‌ها در هر دو این پس‌زمینه‌ها از نظر ریاضی معادل است، می‌توان نتیجه گرفت که با نزدیک شدن به انحنای مورد نیاز برای بدست آوردن حلقه‌های زمانی، احتمال چنین پس‌زمینه‌هایی به صفر می‌رسد. به عبارت دیگر، احتمال تاب خوردن به اندازه کافی برای ماشین زمان صفر است. این امر آنچه را که من فرضیه حفاظت گاه‌شماری می‌نامم تأیید می‌کند: قوانین فیزیک به گونه‌ای طراحی شده‌اند که اجازه نمی‌دهند اجسام ماکروسکوپی در زمان حرکت کنند.

به عنوان قمارباز، من و کیپ می‌خواهیم روی یک ناهنجاری مانند این شرط بندی کنیم. اما مشکل این است که ما نمی‌توانیم این کار را انجام دهیم، زیرا اکنون بر همین عقیده هستیم. و من با هیچ کس شرط نمی بندم. اگر معلوم شود که او یک بیگانه از آینده است، با دانستن این که سفر در زمان ممکن است، چه؟

آیا فکر می کردید این فصل به دستور دولت نوشته شده است تا واقعیت سفر در زمان را پنهان کند؟ شاید حق با شماست

محدود - داشتن ابعاد محدود.

استیون هاوکینگ به طور خلاصه دنیایی است. استیون هاوکینگ «جهان به طور خلاصه

فصل 5

دفاع از گذشته

استیون هاوکینگ یک دنیا به طور خلاصه

پیشگفتار

فصل 1 تاریخچه مختصری از نسبیت

فصل 5. دفاع از گذشته

استیون هاوکینگ
یک دنیا به طور خلاصه

فصل 1
تاریخچه مختصری از نسبیت