Представьте, что вы летите по маршруту через космос и возвращаетесь к событию, которое произошло до того, как вы отправились. Ваши собственные часы продолжают тикать вперёд на протяжении всего путешествия. И всё же маршрут приводит вас в ваше прошлое.
В 1991 году физик Дж. Ричард Готт III описал пространство-время, в котором это могло бы произойти. Его статья в Physical Review Letters использовала две космические струны, движущиеся друг мимо друга с необычайными скоростями. При правильных математических условиях пути вокруг них могли образовывать замкнутые времениподобные кривые: путешествия, которые возвращают через время.
Космические струны остаются гипотетическими. Это делает данную работу предложением о том, что может позволить гравитация, а не открытием работающей машины времени. Тем не менее идея поднимает замечательный вопрос. Если уравнения Эйнштейна могут описывать такое путешествие, что может помешать природе сделать его возможным?
Что такое космическая струна?
Эти струны были бы узкими концентрациями энергии, оставшимися от изменений в ранней Вселенной. Их часто описывают как дефекты в полях, несколько похожие на границы или изъяны, которые остаются, когда материал меняет состояние. Их возможное образование зависит от физики того раннего перехода.
Несмотря на общее название, их не следует путать с крошечными фундаментальными струнами теории струн. Здесь воображаемый объект простирается через пространство и несёт энергию вдоль своей длины.
Коллаборация LIGO Scientific Collaboration объясняет, что струны могли бы образовывать петли, которые теряли бы энергию, излучая гравитационные волны. Резкие особенности на этих петлях, называемые каспами и киками, могли бы производить характерные всплески. Прежде чем кто-либо сможет спросить, как перемещаться вокруг такого объекта, есть более базовая задача: найти доказательства того, что эти объекты существуют.
Маршрут, который нашёл Готт
Готт решил уравнения поля Эйнштейна для движущихся прямых струн, которые не пересекались. В параллельном случае струны проходили в противоположных направлениях. Выше порога скорости, определяемого их энергией, решение содержало пути, обходящие пару, которые могли бы вернуть наблюдателя в его собственное прошлое.
Замкнутая времениподобная кривая — это описание пути через пространство-время. Вдоль неё путешественник всё ещё движется к своему локальному будущему. Своеобразный результат возникает из того, как этот путь вписывается в более широкую геометрию. Тревожная часть — это геометрия. Двигатели и часы космического корабля могли бы работать нормально на протяжении всего путешествия, в то время как устройство пространства-времени возвращает его к более раннему событию. Вычисление также не говорит нам, что любые две струны, которые мы могли бы обнаружить, сделают эту работу. Их движение и окружающая Вселенная имеют значение.
Можно ли на самом деле создать такую конфигурацию?
Шон Кэрролл, Эдвард Фархи и Алан Гут изучили главное препятствие в статье 1992 года. В эквивалентной модели с двумя пространственными измерениями и временем они обнаружили, что открытая Вселенная с указанным, физически обычным полным импульсом не может содержать машину времени Готта. Начало со стационарных частиц и позволение им распадаться не дало бы способа её построить.
Ограничение касается более широкого пространства-времени и его энергии и импульса. Математически описанную область нельзя рассматривать как нечто, что мы можем вставить в любую выбранную нами Вселенную.
Готт также обсуждал, могут ли конечные петли струн коллапсировать в чёрные дыры, прежде чем произвести временные петли. Его первоначальный результат, таким образом, уже содержал вопросы о замене его идеализированных струн физическими объектами.
Поиск начинается с гравитационных волн
Анализ LIGO–Virgo, опубликованный в 2021 году, исследовал данные третьего наблюдательного запуска, собранные в период с апреля 2019 по март 2020 года. Он не обнаружил сигнала космических струн. Исследователи использовали отсутствие сигнала, чтобы ограничить несколько моделей петель струн и их гравитационно-волнового излучения.
Эти ограничения зависят от предположений о популяции петель и их особенностях. Они не равносильны проверке каждой вообразимой струны и обнаружению, что ни одной нет. Это был конкретный поиск в конкретном наборе данных, а не последнее слово по этому вопросу. Наш объяснитель о планковском времени и длине исследует другое место, где привычные описания пространства и времени достигают трудной территории.
Для космических струн есть три отдельных вопроса, за которыми нужно следить: существуют ли они, может ли их гравитация создать предложенную геометрию, и может ли эта геометрия возникнуть в физически возможной Вселенной? Открытие, отвечающее на первый, было бы необычайным. Маршрут в прошлое всё ещё нуждался бы в ответах на два других.
Идея машины времени Готта остаётся одной из самых интригующих в теоретической физике. Она показывает, что уравнения Эйнштейна допускают решения, которые кажутся противоречащими интуиции, но при этом математически корректны. Однако между математическим описанием и физической реальностью лежит огромная пропасть.
Для физиков это означает необходимость дальнейших исследований космических струн и их возможных сигналов в гравитационных волнах. Для философов — продолжение дебатов о природе времени и причинности. Для широкой публики — напоминание о том, что Вселенная может быть гораздо более странной, чем мы можем себе представить.
Одно ясно: даже если машина времени Готта никогда не будет построена, сама идея заставляет нас задуматься о фундаментальных законах природы и о том, что может быть возможно в самых экстремальных условиях.
Источники: Physical Review Letters, J. Richard Gott III (1991), Sean Carroll, Edward Farhi, Alan Guth (1992), LIGO Scientific Collaboration, LIGO–Virgo (2021).
Ваш комментарий