Машина времени уже спрятана в законах физики. Осталось понять, почему она не работает
Общая теория относительности допускает странные маршруты, по которым путешественник может вернуться в собственное прошлое. Физики называют их замкнутыми времениподобными кривыми. Двигаясь по подобной траектории, человек всё время летел бы вперёд по своим часам, но в конце оказался бы в той же точке пространства и в том же моменте, откуда начал путь.
Одну из первых моделей предложил Курт Гёдель в 1949 году, подготовив её к 70-летию Альберта Эйнштейна. Гёдель нашёл решение уравнений общей теории относительности для вращающейся Вселенной, заполненной веществом, которое ведёт себя как пыль, и обладающей отрицательной космологической постоянной. Геометрия пространства-времени в такой модели позволяла построить замкнутую траекторию и вернуться в прошлое. Вселенная Гёделя мало похожа на наблюдаемый космос. Поэтому долгое время возможность путешествия назад считали математической особенностью искусственно подобранной модели, а не реальным следствием физических законов.
Отношение изменилось в 1988 году, когда Кип Торн и его коллеги описали проходимые кротовины. Под этим названием понимают гипотетические тоннели, соединяющие удалённые области пространства-времени. Обычный путь между двумя точками может занимать тысячи лет, а через кротовину расстояние сокращается до короткого перехода.
Сам по себе тоннель ещё не отправляет человека в прошлое. Машина времени возникает, если два входа в кротовину перестают совпадать по времени. Один вход можно разогнать почти до скорости света, а затем вернуть обратно. Из-за релятивистского замедления времени для него пройдёт меньше времени, чем для второго входа. Путешественник, вошедший в более молодой конец тоннеля, сможет выйти через другой в более ранний момент.
Подобная возможность сразу приводит к парадоксам. Самый известный пример связан с путешественником, который возвращается в прошлое и мешает своему деду завести детей. Тогда сам путешественник не должен родиться и, следовательно, не сможет отправиться назад, чтобы изменить семейную историю.
Физик Игорь Новиков предложил принцип самосогласованности, который не позволяет подобному противоречию возникнуть. Согласно принципу Новикова, путешественник может участвовать в событиях прошлого, но любое его действие уже входит в историю. Изменить произошедшее нельзя, поскольку прошлое и будущее образуют единую согласованную последовательность.
Торн и его ученики проверили эту идею на модели с бильярдным шаром. Шар катится к кротовине, проходит через неё и выходит в прошлом. После выхода он сталкивается с собственной более молодой версией. Если удар полностью собьёт молодой шар с курса, тот не попадёт в кротовину, а значит, не сможет вернуться назад и нанести удар.
Расчёты показали другой результат. Шар способен задеть собственную молодую версию под нужным углом, изменить её движение, но всё же направить к входу в кротовину. Столкновение произойдёт, однако причинная цепочка не разрушится. Молодой шар войдёт в тоннель, выйдет в прошлом и нанесёт тот самый удар, который уже получил.
В 1991 году группа Торна попыталась найти исходное положение и скорость, при которых противоречие стало бы неизбежным. Подходящего варианта обнаружить не удалось. Для каждой изученной ситуации находилась по крайней мере одна траектория, сохранявшая согласованность событий.
Доказать, что решение существует при любых возможных начальных условиях, физики не смогли. Возникла и другая проблема. Для некоторых положений и скоростей расчёты давали несколько согласованных вариантов, иногда даже бесконечное количество. Все траектории не нарушали причинность, но уравнения не объясняли, какую из них выберет шар.
К задаче подключили квантовую механику. В квантовом описании объект может находиться в суперпозиции нескольких состояний. Шар после выхода из кротовины не обязан иметь одну строго определённую скорость. Он может одновременно следовать всем допустимым согласованным траекториям, пока измерение не даст конкретный результат. Подобная суперпозиция не разрушила модель кротовины и не вступила в прямое противоречие с общей теорией относительности. Однако расчёты не показали, существуют ли проходимые кротовины в настоящей Вселенной и можно ли удержать подобный тоннель открытым.
Для стабильной кротовины обычно требуется материя с отрицательной плотностью энергии. Квантовая теория допускает локальные области с подобными свойствами, но неизвестно, получится ли накопить нужное количество энергии и сохранить конструкцию достаточно долго для прохождения человека или даже небольшой частицы.
Стивен Хокинг считал, что природа найдёт способ остановить машину времени до её запуска. В 1992 году он сформулировал гипотезу защиты хронологии. Согласно этой идее, пока неизвестные законы квантовой гравитации должны препятствовать появлению замкнутых времениподобных кривых, по которым крупные объекты могли бы попасть в прошлое.
Вблизи момента превращения кротовины в машину времени квантовые поля могут начать многократно проходить по замкнутой траектории. Их энергия будет накапливаться и способна разрушить тоннель прежде, чем через него пройдёт путешественник. Полной теории квантовой гравитации пока нет, поэтому гипотеза Хокинга остаётся недоказанной.
Физик устроил и менее формальный эксперимент. 28 июня 2009 года Хокинг подготовил приём с шампанским, закусками и воздушными шарами, но никого заранее не пригласил. Объявление появилось только после завершения вечера. Приглашение предназначалось людям из будущего, которые могли узнать о событии и вернуться к назначенному времени.
На вечеринку никто не пришёл. Пустой зал, конечно, не доказывает невозможность путешествий во времени. Будущие путешественники могли не узнать о приглашении, не захотеть раскрывать себя или не иметь возможности попасть в 2009 год. Однако эксперимент точно передал позицию Хокинга: уравнения позволяют описывать дорогу в прошлое, но природа, вероятно, не позволит по ней проехать.