Ми маємо на увазі під подорожжю в часі "відбування" з даного місця і часу і "прибуття" те ж саме місце (з точки зору мандрівника), але вже в минуле (з точки зору стороннього спостерігача). Парадокси подорожі в часі виходять з того, що "відбування" відбувається раніше "прибуття" з позиції одного спостерігача, а з позиції іншого - пізніше. У термінології відносності подорож у часі має на увазі, що часу-подібний порядок подія не інваріантний. Це порушує наші інтуїтивні поняття про причинного зв'язку. Однак, наша інтуїція небезошібочна, значить ми повинні бути обережні з висновками. Чи є подорож у часі дійсно неможливим або це просто явище, коли "неможливо" означає "природа загадковіше ніж ви думаєте"? Відповідь набагато цікавіше, ніж здається на перший погляд.
Розвиток уявлення про простір і час.
У матеріалістичної картині світу поняття простору виникло на основі спостереження і практичного використання об'єктів, їх обсягу та протяжності. Поняття часу виникла на основі сприйняття людиною зміни подію, послідовної зміни станів предметів і кругообігу різних процесів.
Природничо-наукові уявлення про простір і час пройшли довгий шлях становлення і розвитку. Найперші з них виникли з очевидного існування в природі і в першу чергу в макросвіті твердих фізичних тіл, що займають певний об'єм. Тут основними були повсякденні уявлення про простір і час як про якихось зовнішніх умовах буття, в які поміщена матерія і які збереглися б, якби навіть матерія зникла. Такий погляд дозволив сформулювати концепцію абсолютного простору і часу, що отримала свою найбільш виразну формулювання в роботі І. Ньютона «Математичні початки натуральної філософії» Ця праця більш ніж на два століття визначив розвиток усієї природничо-наукової картини світу. У ньому були сформульовані основні закони руху і дано визначення простору, часу, місця і руху. Розкриваючи сутність простору і часу, Ньютон пропонує розрізняти два типи цих понять абсолютні (справжні, математичні) і відносні (що здаються, повсякденні). Проблема простору і часу була тісно пов'язана з концепціями близкодействия і дальнодействия. Дальність дії мислилося як миттєве поширення гравітаційних і електричних сил через порожній абсолютне просторів у, в якому сили знаходять свою кінцеву мету завдяки божественному провидінню. Концепція ж блізкодействія (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) була пов'язана з розумінням простору як протяжності речовини і ефіру, в якому світло поширювався з кінцевою швидкістю у вигляді хвиль. Це призвело в подальшому до поняття поля, від точки до точки якого і передавалося взаімодействіе.Іменно це розуміння взаємодії і простору, розвивалося в рамках класичної фізики, була успадкована та розвинуте далі в XX столітті, після краху гіпотези ефіру, в рамках теорії відносності і квантової механіки. Простір і час знову стали розумітися як атрибути матерії, визначаються її зв'язками і взаємодіями.
Сучасне розуміння простору і часу було сформульовано в теорії відносності А. Ейнштейна, по-новому інтерпретувати реляционную концепцію простору і часу і дала їй природно-наукове обгрунтування.
Парадигма наукової фантастики
Сюжет з фільму, коли хтось сідає в машину часу і спостерігає годинник, що обертаються назад, в той час як інші люди бачать його молодеющіх, відповідно до теорії відносності неможливий. Час тече тільки в одну сторону в будь-якому конкретно взятому місці. Якби це було не так, то не можна було б накласти 4-мірну систему координат на простір-час, і в результаті це закінчилося б багатьма небажаними наслідками. Проте, існує сценарій, непідвладний нашому розуму. Він вимагає незвичайну топологію простору-часу (як червоточини або струни в загальної теорії відносності), яких ще ніхто не бачив, але, тим не менш, вони мають право на існування. В цьому випадку Всесвіт веде себе нормально в кожної окремої її області, і тільки досліджуючи її глобальні властивості можна виявити, що подорож у часі реально!
Іноді стверджують, що подорож у часі порушує закони збереження. Наприклад, відправка маси в минуле збільшує кількість енергії в той час. Чи порушує це закон збереження енергії? Це твердження використовує поняття глобального закону збереження, тоді як тоді як релятивістські формулювання рівнянь фізики мають на увазі тільки локальне. Локальний закон говорить, що кількість матеріалу в малому обсязі змінюється тільки коли матеріал втікає або випливає через кордони області. Глобальний же закон визначається підсумовуванням всіх локальних областей і допуском, що ніщо не втікає або випливає з нескінченності. Тобто, відсилаючи масу в минуле, все буде в порядку, але нас все одно не покидає відчуття дивацтва, що відбувається.
Можливість подорожі часу в ОТО була відома принаймні з 1949 р Курт Гедель [1]. Простір-час, знайдене Геделем, містило "замкнуті часу-подібні криві". Вони представляли собою світові лінії, які відповідають життя частинки або людини і закінчуються в тій же точці простору-часу (в тому ж місці і часу), з якої починалися. Рішення загальної відносності не повинно містити просторово-подібні вставки - простір повинен мати "дірки" (як дірки в бубликах, а не як дірки в аркуші паперу). Потенційний мандрівник у часі повинен пролітати навколо або крізь ці дірки особливим способом. Рішення Геделя цікаво, але не може бути застосовано для конструкції машини часу. Два свіжих припущення Морріса [2] і Готта [3] могли б бути використані для створення реального пристрою. Так само як і у Геделя, в їх схемах не було нічого дивного; можливість подорожі випливала з особливою топології простору-часу. Перша ідея використовувала червоточини (внутрішня частина чорної діри), яка відкрита і управляється електромагнітними силами. Друга виходила з конічною геометрії, яку створювала нескінченно довга струна. Якщо існують дві таких струни, людина може повернутися в минуле, описуючи "вісімки" навколо цих струн. При цьому, якщо струна має ненульовий діаметр і кінцеву масу, замкнута світова лінія буде цілком звичайною.
Вихідним пунктом цієї теорії став принцип відносності. Класичний принцип відносності був сформульований ще Г. Галілеєм: у всіх інерціальних системах відліку рух тіл відбувається за однаковими законами. Інерційних називаються системи відліку, що рухаються один щодо одного рівномірно і прямолінійно. З принципу відносності випливає, що між спокоєм і рухом - якщо воно рівномірно і прямолінійно - немає ніякої принципової різниці Різниця тільки в точці зору.
Якщо класичний принцип відносності стверджував інваріантність законів механіки в усіх інерційних системах відліку, то в спеціальній теорії відносності цей принцип був поширений також на закони електродинаміки, а загальна теорія відносності стверджувала інваріантність законів природи в будь-яких системах відліку, як інерційних, і неінерційних. Неінерційній називаються системи відліку, що рухаються з уповільненням або прискоренням.
У відповідності зі спеціальною теорією відносності, яка об'єднує простір і час в єдиний чотиривимірний просторово-часовий континуум, просторово-часові властивості тіл залежать від швидкості їх руху. Просторові розміри скорочуються в напрямку руху при наближенні швидкості тіла до швидкості світла а вакуумі (300 000 км / с), тимчасові процеси сповільнюються в бистродвіжущихся системах, маса тіла збільшується.
Перебуваючи в супутньої системі відліку, тобто рухаючись паралельно і на однаковій відстані від вимірюваної системи, не можна помітити ці ефекти, які називаються релятивістськими, так як всі використовувані при вимірах просторові масштаби та години будуть мінятися точно таким же чином. Згідно з принципом відносності, всі процеси в інерційних системах відліку протікають однаково. Але якщо система є іеінерцнальной, то релятивістські ефекти можна помітити і виміряти. Так, якщо уявний релятивістський корабель типу фотонної ракети вирушить до далеких зірок, то після повернення його на Землю часу в системі корабля пройде істотно менше, ніж на Землі, і ця відмінність буде більше, чим далі здійснюється політ, а швидкість корабля буде ближче до швидкості світла. Різниця може вимірюватися навіть сотнями і тисячами років, в результаті чого екіпаж корабля відразу перенесеться в близьке чи більш віддалене майбутнє, минаючи проміжне час, оскільки ракета разом з екіпажем випала з ходу розвитку на Землі.
Подібні процеси уповільнення ходу часу в залежності від швидкості руху реально реєструються зараз у вимірах довжини пробігу мезонів, що виникають при зіткненні частинок первинного космічного випромінювання з ядрами атомів на Землі.
Отже, спеціальна теорія відносності базується на розширеному принципі відносності Галілея. Крім того, вона використовує ще одне нове положення: швидкість поширення світла (в порожнечі) однакова в усіх інерціальних системах відліку.
Але чому так важлива ця швидкість, що судження про неї прирівнюється за значенням до принципу відносності? Справа в тому, що ми тут стикаємося з другої універсальної фізичної константою. Швидкість світла - це найбільша з усіх швидкостей в природі, гранична швидкість фізичних взаємодій. Довгий час її взагалі вважали нескінченною. Вона була встановлена в XIX в. склавши 300 000 км / с. Це величезна швидкість в порівнянні з звичайно спостерігаються швидкостями в навколишньому світі. Наприклад, лінійна швидкість обертання Землі на екваторі дорівнює 0,5 км / с. швидкість Землі в її орбітальному обертанні навколо Сонця - 30 км / с, швидкість самого Сонця в його русі навколо центру Галактики - близько 250 км / с. Швидкість руху всієї Галактики з великою групою інших галактик щодо інших таких же груп - ще в два рази більше. Разом з Землею, Сонцем і Галактикою ми летимо в космічному просторі, самі того не помічаючи, з величезною швидкістю, вимірюваної кількома сотнями кілометрів в секунду. Це величезна швидкість, але все ж і вона мала в порівнянні зі швидкістю світла.
Абсолютність швидкості світла не суперечить принципу відносності і повністю сумісна з ним. Сталість цієї швидкості "закон природи, а тому - саме у відповідності з принципом відносності - він справедливий в усіх інерційних системах відліку.
Швидкість світла це верхня межа для швидкості переміщення будь-яких тіл природи, для швидкості розповсюдження будь-яких хвиль, будь-яких сигналів. Вона максимальна - це абсолютний рекорд швидкості. Тому часто говорять, що швидкість світла - гранична швидкість передачі інформації. І гранична швидкість будь-яких фізичних взаємодій, та й взагалі всіх мислимих взаємодій в світі.
Зі швидкістю світла тісно пов'язане рішення проблеми одночасності, яка теж виявляється відносною, тобто залежить від точки зору. У класичній механіці, яка вважала час абсолютним, абсолютної є і одночасність.
Теорія відносності встановила не тільки викривлення простору під дією полів тяжіння, а й уповільнення ходу часу в сильних гравітаційних полях. Навіть тяжіння Сонця - досить невеликої зірки за космічними мірками - впливає на темп протікання часу, сповільнюючи його поблизу себе. Тому якщо ми пошлемо радіосигнал в якусь точку, шлях до якої проходить поруч із Сонцем, подорож радіосигналу займе в такому випадку більше часу, ніж тоді, коли на шляху цього сигналу при такому ж відстані не буде Сонця. Затримка сигналу при його проходженні поблизу Сонця становить близько 0,0002 с.
Одне з найбільш фантастичних прогнозів загальної теорії відносності - повна зупинка часу в дуже сильному полі тяжіння. Уповільнення часу тим більше, чим сильніше тяжіння. Уповільнення часу проявляється в гравітаційному червоному зміщенні світла: чим сильніше тяжіння, тим більше збільшується довжина хвилі і зменшується його частота. При певних умовах довжина хвилі може спрямуватися до нескінченності, а її частота до нуля.
Зі світлом, що випускаються Сонцем, це могло б статися, якби наше світло раптом стислося і перетворилося в кулю з радіусом в 3 км або менше (радіус Сонця дорівнюватиме 700 000 км). Через такого стискування сила тяжіння на поверхні, звідки і виходить світло, зросте настільки, що гравітаційне червоне зміщення виявиться дійсно нескінченним.
Відразу скажемо, що з Сонцем цього ніколи насправді не відбудеться. В кінці свого існування, через 15-20 млрд. Років, воно випробує, ймовірно. Безліч перетворень, його центральна область може значно стиснутися, але все ж не так сильно.
Але інші зірки, маси яких в три і більше разів перевищують масу Сонця, в кінці свого життя і дійсно зазнають швидше за все швидке катастрофічне стиснення під дією свого власного тяжіння. Це призведе їх до стану чорної діри. Чорна діра - це фізичне тіло, що створює настільки сильне тяжіння, що червоне зміщення для світла, що випускається поблизу нього, здатне звернутися в нескінченність.
Чорні діри виникають в результаті нестримного стискання речовини під дією його власного тяжіння. Щоб виникла, чорна діра, тіло повинно стиснутися до радіусу, що не перевершує відношення маси тіла до маси Сонця, помноженої на 3 км. Це критичне значення радіусу називають гравітаційним радіусом тіла.
Фізики і астрономи абсолютно впевнені, що чорні діри існують в природі, хоча до цих пір їх виявити не вдалося. Труднощі астрономічних пошуків пов'язані з самою природою цих незвичайних об'єктів. Адже нескінченне червоний зсув, через якого звертається в нуль частота прийнятого світла, робить їх просто невидимими. Вони не світять, і тому в повному сенсі цього слова є чорними. Лише по ряду непрямих ознак можна сподіватися помітити чорну діру, наприклад, в системі подвійної зірки, де її партнером була б звичайна зірка. Зі спостережень руху видимої зірки в загальному полі тяжіння такої пари можна було б оцінити масу невидимою зірки, і якщо ця величина перевищить масу Сонця в три і більше разів, можна буде стверджувати, що ми знайшли чорну діру.
Зараз є кілька добре вивчених подвійних систем, в яких маса невидимого партнера оцінюється в 5 або навіть 8 мас Сонця. Швидше за все, це і є чорні діри, але астрономи до уточнення цих оцінок воліють називати ці об'єкти кандидатами в чорні діри. Гравітаційне уповільнення часу, мірою і свідченням якого є червоне зміщення, дуже значно поблизу нейтронної зірки, а поблизу чорної діри, у її гравітаційного радіуса, воно настільки велике, що час там ніби завмирає.
Для тіла, що потрапляє в поле тяжіння чорної діри, освіченою масою, що дорівнює 3 мас Сонця, падіння з відстані 1 млн. Км до гравітаційного радіуса займає всього близько години. Але по годинах, які покояться далеко від чорної діри, вільне падіння тіла в її поле розтягніть в часі до безкінечності. Чим ближче падаюче тіло до гравітаційного радіусу, тим повільнішим буде представлятися цей політ віддаленому наблюдателю.Тело, що спостерігається здалеку, буде нескінченно довго наближатися до гравітаційному радіусу і ніколи не досягне його. В цьому проявляється уповільнення часу поблизу чорної діри.
Коли з'явилися ідеї, що загальна відносність допускає замкнуті світові лінії, вчені стали вивчати завдання послідовності. В основному, проблемою є "парадокс дідуся": що буде, якщо мандрівник у часі вб'є свого дідуся, ще до того, як народиться його мати? У наукових термінах, які наслідки квантового механічного втручання частки в її власне майбутнє? Вважається, що єдність буде порушено [5].
Як уникнути парадоксу з замкнутими світовими лініями, які не любить квантова механіка? Це не причина відмови від теорії, якщо в якійсь області вона зазнає невдачі. Головна проблема - конструкція самої машини часу. Крім того, нескінченні струни не так-то легко виготовити. Фактично [4], ідея Готта має на увазі, що загальний 4-імпульс повинен бути просторово-подібним. Це означає, що побудувати машину часу з нетахіонних об'єктів, у яких 4-імпульс часу-подібний, неможливо. Є проблеми реалізації і в ідеї червоточини.
Висновок Питання можливості існування машини часу залишається відкритим. Жоден з критиків, спростовуючи дві вищевикладені ідеї, не виступає проти самої можливості. Проте, вважається, що поняття машини часу несе з собою серйозний набір проблем.