Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

А можно ли создать такое вещество, которое будет обладать свойством антигравитации и иметь отрицательную энергию? Энергия вещества слагается из энергии, связанной с массой составляющих его частиц, и энергии давления и натяжений, связанной с внутренними взаимодействиями. В одних случаях — скажем, в баллоне сжатого газа — она положительна, в других, например в ядре атома железа, отрицательна; как известно, для расщепления ядра на части необходимо совершить определенную работу. Однако во всех обычных веществах — твердых, жидких, газообразных — энергия, связанная с массой, больше энергии взаимодействий и суммарная энергия вещества всегда положительна. В экзотическом же веществе, которое нужно для сооружения червоточин, первое место занимает отрицательная энергия внутренних натяжений.

Еще совсем недавно физики были убеждены в том, что подобных веществ просто не бывает. И это, по-видимому, так, если оставаться в рамках классической, доквантовой физики. Однако в области квантовых явлений ситуация иная. Благодаря всплескам случайных (спонтанных) полей, рождению пар частиц и античастиц на очень короткое время энергия может стать несколько большей или меньшей ее среднего, классического значения. Это иногда называют «кипением» физического вакуума, где вблизи нулевого уровня энергии всегда есть области с положительной и отрицательной энергией.

Расчеты Торна и его коллег показали, что если вход и выход подпространственного канала окружить шарообразным металлическим экраном, то соответствующее снижение энергии вакуума внутри канала вполне достаточно для того, чтобы удержать его от схлопывания и сделать проходимым для путешественников. Конечно, проблемы этим не исчерпаны. Нужно еще придумать сам способ построения кротовых нор. Может, для этого придется воспользоваться гравитационным коллапсом массивного тела, так, как это имеет место при образовании канала коллапсара, прикрывая образующиеся в пространстве воронки металлическими заглушками, которые предохранят от полного схлопывания.

Не успели затихнуть бурные дискуссии вокруг машин времени из замерзших сколлапсировавших звезд (иногда их называют Т-агрегаты Сагана — Торна), как появилась теоретическая работа больших энтузиастов хронофизики — теоретика Давида Дойча и философа Майкла Локвуда. Авторы не только рассмотрели различные варианты путешествий во времени, но и предложили оригинальные решения для возникающих парадоксов.

Вот один из них, широко распространенный в научной фантастике, например, он встречается в романе Айзека Азимова «Конец Вечности». Итак, литературный критик, увлеченный творчеством модного писателя, отправляется в прошлое и посещает автора еще до написания им прославленных произведений. Он показывает его будущие сочинения, а тот, не поверив критику, присваивает свои же книги, приобретая тем самым известность и славу. Парадоксальный логический круг замыкается, ведь трудно понять — кто же написал упомянутые книги, если они бесконечно циркулируют по кругу времени из будущего в прошлое и обратно. Следующий круг временных парадоксов у Азимова связан с самим изобретателем машины времени, являющейся основой организации «Вечность» и чертежи которой сама эта «Вечность» доставляет ему из будущего.

Все эти парадоксы, привлекшие внимание ученых, философов и писателей после выхода романа Герберта Уэллса «Машина времени», породили устойчивое мнение, что такие путешествия принципиально невозможны. Впрочем, теория относительности не отрицает возможность путешествия в будущее. Для этого необходимо совершить полет в космос с околосветовой скоростью. Тогда путешественники могут вернуться через много лет более молодыми, чем их сверстники, оставшиеся на Земле. Но теория относительности не допускает путешествий в прошлое с нарушением принципов причинности.

Как вообще объясняет физика невозможность подобных нарушений? В теории относительности положение любого объекта описывается четырьмя координатами — тремя пространственными и одной временной. Эти четыре координаты указывают так называемую мировую точку в пространстве Минковского (напомним, что Герман Минковский был учителем, а впоследствии и соавтором Эйнштейна). При движении объекта получается извилистая траектория, называемая мировой линией. Любопытно, что с чисто пространственно-временной точки зрения вся биография человека изображается таким вот извилистым червячком (а не линией, ведь тело человека занимает определенный объем), хвост которого совпадает с местом и временем его рождения, а передний конец непрерывно ползет вперед и вперед.

Квантовая физика описывает поведение элементарных частиц статистически. Эта врожденная «статистичность» микрообъектов является одной из самых трудных загадок природы. На микроуровне в любой момент времени можно указать лишь вероятность того или иного физического процесса. Этот вывод очень трудно осознать, и даже великий Эйнштейн до самого конца жизни пытался его оспорить и найти наглядное объяснение этой загадочной статистичности.

Одна из самых необычных попыток объяснить вероятностный характер квантовой механики была предпринята в середине прошлого века американским физиком Хью Эвереттом, который предложил теорию «множественных вселенных». Согласно этой теории, существует не одна, а сразу множество вселенных, в точности подобных нашей по физическому составу материальных тел. Если мы наблюдаем за распадом какого-то радиоактивного элемента и видим, что этот распад произошел, скажем, через 5 минут, то это верно только для данной вселенной. В другой, «параллельной» вселенной его копия распадется через 10 минут, а в третьей — через 15. Иными словами, вероятность распада соответствует множеству вселенных, в которых копия распадается через данное время; сам же радиоактивный элемент ведет себя вполне однозначно и никакой статистичностью не обладает.

С самого начала вокруг теории Эверетта возникла бурная дискуссия. Ведь для тех квантовых расчетов, которыми пользуются физики при описании своих экспериментов с элементарными частицами и при создании различных квантовых приборов, совершенно безразлично, верна теория Эверетта или нет. Но вот для квантовой гравитации, которой занимаются Хокинг и Торн, такая теория может означать очень многое.

Так, она может легко разрешить парадоксы путешествий во времени. Например, в случае романа Азимова точка встречи критика и писателя представляет собой особый узел Мультивселенной, в котором сходится множество вселенных-копий. В зависимости от того, какое действие произведет герой в прошлом, он и все его окружение оказываются той или иной из этих копий. Но прошлое и будущее в каждой из этих копий будет различным ( рис. 29цв. вкл.).