Физики описали, как попасть в прошлое, просто двигаясь по инерции: геодезические пути в прошлое в теории относительности

Путешествия во времени — одна из тех идей, что одновременно будоражат воображение и вызывают скепсис. Пока мы рассуждаем о парадоксах вроде убитого дедушки, физики-теоретики решают куда более фундаментальную задачу: а как вообще может выглядеть пространство-время, которое позволяет вернуться назад? И можно ли описать это математически строго, не нарушая законы общей теории относительности?

Новое исследование физиков из Квинслендского университета, увы, не предлагает нам чертеж машины времени. Зато делает нечто более тонкое и важное: предлагает теоретическую модель, в которой путешествие в прошлое становится не результатом работы какого-нибудь двигателя, а естественным следствием движения по инерции. Буквально — свободного падения в петлю времени.

Что такое варп-двигатель Алькубьерре?

Нужно начать с концепции, предложенной в 1994 году физиком Мигелем Алькубьерре. Его знаменитый «варп-двигатель» — это гипотетический пузырь пространства-времени, который сжимает ткань реальности перед собой и расширяет ее позади. Объект внутри пузыря остается неподвижным, пока само пространство перемещает его к цели, потенциально с кажущейся скоростью, превышающей скорость света.

Только вот для создания такого эффекта требуется так называемая экзотическая материя — вещество с отрицательной плотностью энергии. Мы никогда не наблюдали ничего подобного в макроскопическом масштабе, и её существование остается гипотезой.

Тем не менее, модель Алькубьерре — это корректное математическое решение уравнений Эйнштейна. И как многие сценарии со сверхсветовым перемещением, она открывает дверь к причинным парадоксам и, как следствие, к путешествиям во времени.

Как превратить двигатель в машину времени?

Предыдущие работы показали, что если взять пузырь Алькубьерре и добавить ему внутреннее «вращение», можно добиться интересного эффекта. Представим, что внутри этого пузыря пространство-время не статично, а закручивается, увлекая за собой все, что в него попало. Этот эффект — локализованная версия так называемого «увлечения инерциальных систем отсчета», которое предсказывает теория относительности для вращающихся массивных тел.

В таких условиях можно проложить траекторию, которая будет замкнутой не только в пространстве, но и во времени. Физики называют это замкнутой времениподобной кривой. Проще говоря, это маршрут, двигаясь по которому объект — будь то частица или гипотетический корабль — вернется в ту же точку пространства, но в момент времени раньше, чем он оттуда стартовал.

Тут есть проблема. В первоначальной модели эта траектория не была естественной. Частица, движущаяся по такой временной петле, испытывала бы постоянное ускорение, которое стремилось бы выбросить ее с маршрута. Чтобы удержаться на нем, ей потребовался бы какой-то внешний двигатель или направляющая сила. Это делало модель громоздкой и физически менее элегантной. Но что, если бы можно было заставить частицу двигаться по этой петле естественно, без принуждения?

Решение: геодезическая — путь свободного падения

Здесь и кроется ключевое новшество исследования. Авторы задались вопросом: можно ли так изменить геометрию пространства-времени внутри пузыря, чтобы путешествие в прошлое стало путем наименьшего сопротивления? Чтобы замкнутая времениподобная кривая стала геодезической?

Геодезическая линия — это фундаментальное понятие в общей теории относительности. Это самый прямой из возможных путей в искривленном пространстве-времени. Именно по геодезическим движутся объекты в состоянии свободного падения — планеты вокруг звезд, спутники на орбите и яблоко, падающее на землю. Движение по геодезической не требует никакой тяги. Это и есть движение по инерции.

Авторы работы нашли способ модифицировать метрику вращающегося пузыря Алькубьерре. Они сделали внутренний поток пространства-времени неоднородным и динамическим. Вместо равномерного вращения, его интенсивность теперь зависит от двух факторов: от расстояния до центра траектории и от собственного времени, прошедшего для движущегося объекта.

Этот динамический поток создает своего рода гравитационный противовес, который точно компенсирует центробежные силы, которые раньше выбрасывали бы частицу с траектории. В результате чистое ускорение становится равным нулю. Траектория путешествия в прошлое становится геодезической. Частица, попавшая в такой пузырь, буквально свободно падает по кругу в собственное прошлое.

Зачем нужна такая теоретическая модель?

Минутка откровений: эта работа не приближает нас к созданию реальной машины времени. Проблема экзотической материи никуда не делась, а сложность управления такой системой невообразима. Так в чем же ценность?

Ценность этой модели в ее чистоте. Она предоставляет теоретикам идеальную песочницу для изучения самых глубоких вопросов физики.

1. Это безупречная среда для тестов. Создав математически непротиворечивый сценарий, где объект может взаимодействовать со своим прошлым, ученые получают возможность исследовать последствия. Что произойдет с квантовыми полями на границе такой петли? Как поведет себя вакуум?
2. Это проверка законов сохранения. Модель позволяет изучать парадоксы не на уровне бытовой логики, а на языке фундаментальных законов. Например, знаменитая «гипотеза о защите хронологии» Стивена Хокинга предполагает, что законы физики сами по себе должны запрещать создание замкнутых времениподобных кривых. Новые, более совершенные модели, подобные этой, — лучший способ проверить такие гипотезы на прочность.
3. Это шаг к квантовой гравитации. Поведение материи и пространства в экстремальных условиях, таких как черные дыры или временные петли, — это область, где общая теория относительности и квантовая механика должны встретиться. Такие теоретические конструкции служат мостом между двумя величайшими теориями XX века.

Поэтому данную работу следует воспринимать как математический эксперимент, позволяющий задавать правильные вопросы о самых глубоких свойствах нашей реальности.