Большой адро́нный колла́йдер

[sergione]

Резонный вопрос - где, что и в каком месте?

Размышления на тему! Смотрите и думайте сами.



Сложно, но возможно
Пол Дэйвис


Знаменитый роман "Машина времени", написанный Гербертом Уэллсом в 1895 г., вдохновил многих писателей- фантастов. Возможно ли на самом де- ле путешествие во времени? Удастся ли создать аппарат, который смог бы отправить человека в прошлое или в будущее?

Многие годы путешествия во времени не вписывались в рамки серьезной науки. Тем не менее эта тема стала чем - то вроде побочного занятия для физи- ков-теоретиков. Размышления о путешествиях во времени приводят к довольно забавным и в то же время весьма глубокомысленным выводам. Например, сущность единой теории физики, основанной на понимании связи между причиной и следствием, придется серьезно пересмотреть, если свободное перемещение во времени хотя бы в принципе возможно.

Наиболее полное понятие о времени дает нам теория относительности Эйнштейна. До ее возникновения время считалось универсальным и абсолютным, одинаковым для каждого на- блюдателя независимо от его физического состояния. В своей специальной теории относительности Эйнштейн выдвинул предположение, что значение интервала времени, измеряемого между двумя событиями, зависит от того, каким образом движется наблю- датель. Иными словами, два наблюдателя, движущихся по-разному, отметят различную продолжительность интервалов между одними и теми же двумя событиями.

Подобные явления часто называют "парадоксом близнецов". Представьте, что Салли и Сэм - близнецы. Салли садится в космический корабль и на высокой скорости отправляется к ближайшей звезде, затем разворачивается и летит на Землю, где ее ждет Сэм. Пусть для Салли продолжительность полета составит, скажем, один год. Когда она вернется, то обнаружит, что за время ее отсутствия на Земле прошло 10 лет, а ее ше ее на 9 лет. Получается, что Салли брат Сэм стар и Сэм теперь не ровесники, хотя и родились в один и тот же день.

Этот пример иллюстрирует один из вариантов путешествия во времени: в результате своего полета Салли переместилась на 9 лет в будущее Земли.

Сдвиг во времени

Эффект растяжения времени возникает всякий раз, когда один наблюдатель движется относительно другого. В повседневной жизни мы не замечаем искажений времени, поскольку они проявляются лишь при околосветовых скоростях. Даже скорость самолетов настолько мала, что растяжение времени за обычный авиаперелет составляет лишь несколько наносекунд. Что и говорить, масштабы далеко не уэллсовские. Тем не менее атомные часы достаточно точны, чтобы зарегистрировать этот временной сдвиг и доказать, что время при движении растягивается. Итак, путешествие в будущее, пусть даже в очень близкое будущее, - подтвержденный факт.

Три непростых этапа создания туннельной машины времени

1 Сначала необходимо найти или создать звездные врата - туннель, соединяющий две точки пространства. Возможно, такие туннели существуют еще со времен Большого взрыва. В противном случае придется иметь дело с естественными субатомарными пространственно-временными туннелями, которые могут возникать и исчезать повсюду, или с искусственными - созданными при помощи ускорителей элементарных частиц. Микротуннели необходимо будет увеличивать до приемлемых размеров, вероятно, используя при этом энергетические поля, схожие с теми, которые заставили пространство мгновенно расшириться сразу после Большого взрыва.

2 Затем необходимо обеспечить устойчивость туннеля. Введение в него отрицательной энергии, полученной квантовыми методами при помощи так называемого эффекта Казимира, позволит сигналам и материальным объектам безболезненно проходить сквозь звездные врата. Отрицательная энергия будет препятствовать стремлению туннеля сжаться в точку с бесконечной (или почти бесконечной) плотностью и стать черной дырой.

3 Теперь с помощью космического кора*** можно отбуксировать один из входов туннеля к поверхности нейтронной звезды, обладающей невероятной плотностью и мощным полем тяготения, которое замедлит ход времени. При этом на другом конце туннеля время будет лететь быстрее, и входы звездных врат окажутся разделены не только в пространстве, но и во времени.

Чтобы пронаблюдать действительно заметные искажения времени, нам придется заглянуть за пределы повседневного опыта. В больших ускорителях элементарные частицы могут быть разогнаны до скоростей, близких к скорости света. Некоторые из частиц, такие как мюоны, обладают "встроенными часами", ибо имеют определенный период полураспада. Наблюдения показывают, что в соответствии с теорией Эйнштейна мюоны, движущиеся в ускорителе с высокой скоростью, распадаются медленнее. Для неподвижного наблюдателя заметные временные искажения испытывают и частицы космических лучей. Скорость движения этих частиц настолько близка к скорости света, что с их "точки зрения" они пересекают галактику за считанные минуты, хотя в земной системе отсчета это занимает десятки тысяч лет. Если бы не проявлялось растяжение времени, подобные частицы никогда не достигли бы Земли.

Скорость - один из способов перенестись в будущее. Другой способ - гравитация. В общей теории относительности Эйнштейн показал, что гравитация замедляет ход времени. Часы на крыше идут немного быстрее, чем часы в подвале, которые находятся ближе к центру Земли и поэтому сильнее испытывают влияние ее поля тяготения. Аналогично часы в космосе идут быстрее, чем на Земле. Наблюдаемые отклонения очень незначительны, однако они были зафиксированы высокоточными часами. Эти искажения времени были учтены при создании Глобальной системы позиционирования (GPS), иначе моряки, таксисты и крылатые ракеты постоянно сбивались бы с курса.

Гравитация нейтронных звезд настолько велика, что время на их поверхности замедляется примерно на 30% по сравнению со временем на Земле. События, происходящие на Земле и наблюдаемые с одной из таких звезд, будут похожи на ускоренное видео. Черные дыры представляют предельный вариант искажения времени: на их поверхности время неподвижно застыло для внешнего наблюдателя. Это значит, что за то короткое время, которое наблюдатель затратит на падение на поверхность черной дыры, во всей остальной Вселенной пройдет целая вечность. Поэтому для стороннего наблюдателя область внутри черной дыры находится за пределами конца времен. Если бы некий космонавт сумел приблизиться к черной дыре на малое расстояние, а затем вернуться живым и невредимым, - несомненно, фантастичный и к тому же безрассудный проект, - то он смог бы оказаться в далеком будущем.

Голова идет кругом

До сих пор речь шла о перемещении в будущее. А как насчет путешествия в прошлое? Здесь все гораздо сложнее. В 1948 г. Курт Гедель (Kurt Gaedel) нашел решение для составленных Эйнштейном уравнений гравитационного поля, описывающих вращающуюся Вселенную. Путешествуя в пространстве такой Вселенной, космонавт может достичь своего прошлого. Это происходит вследствие воздействия поля тяготения на электромагнитные волны. В такой Вселенной свет (и, соответственно, причинно-следственная связь между объектами) будет вовлечен во вращательное движение, что позволит материальным объектам описывать траектории, замкнутые не только в пространстве, но и во времени. Пожав плечами, решение Геделя отложили в сторону как математический парадокс - в конце концов, нет свидетельств того, что вся наша Вселенная вращается. Тем не менее полученный Геделем результат показал, что теория относительности не исключает перемещения назад во времени. Более того, сам Эйнштейн был озадачен этим фактом.

Самой большой проблемой при создании туннельной машины времени
является построение пространственно-временного туннеля

Были придуманы и другие сценарии путешествия в прошлое. Так, в 1974 г. Фрэнк Дж. Типлер (Frank J. Tipler) из Университета Тулейна рассчитал, что массивный бесконечно длинный цилиндр, вращающийся вокруг своей оси с околосветовой скоростью и закручивающий свет вокруг себя в кольцо, может позволить космонавтам попасть в свое прошлое. В 1991 г., Дж. Ричард Готт (J. Richard Gott) из Принстонского университета предсказал, что космические нити - структуры, сформировавшиеся, по мнению космологов, на ранних стадиях после Большого взрыва, - могут породить похожий эффект. А наиболее правдоподобный сценарий машины времени появился в середине 80-х гг. прошлого века. Он основан на концепции пространственно-временного туннеля.

В научной фантастике пространственно-временные туннели часто называются звездными вратами; они представляют кратчайший путь между двумя далеко разнесенными в пространстве точками. Войдя в гипотетический пространственно-временной туннель, вы можете через несколько мгновений выйти из него на другом конце галактики. Звездные врата действительно вписываются в общую теорию относительности, согласно которой тяготение искажает не только время, но и пространство. Эта теория позволяет провести аналогию с объездной дорогой и туннелем, соединяющими две точки пространства. Математики называют такое пространство многосвязанным. Так же как туннель сквозь горный хребет обычно короче объездной дороги, так и пространственно-временной туннель может быть короче пути в обычном пространстве.

Фантастический пространственно-временной туннель описан в романе Карла Сагана "Контакт", вышедшем в свет в 1985 г. Вдохновленный Саганом, Кип С. Торн (Kip S. Thorne) и его сотрудники из Калифорнийского технологического института решили выяснить, не противоречит ли идея звездных врат законам современной физики. Отправной точкой их исследований стало предположение о том, что пространственно-временной туннель должен быть схож с черной дырой, являясь телом с чудовищной силой тяготения. Однако в отличие от черной дыры, которая предлагает безвозвратно отправиться в никуда, звездные врата должны иметь не только вход, но и выход.

В петле

Чтобы пространственно-временной туннель был проходимым, он должен содержать, говоря словами Торна, экзотическую материю. Это должно быть нечто, создающее антигравитационное поле и тем самым препятствующее превращению массивной системы в черную дыру под действием собственной гигантской массы. Источником антигравитации, или гравитационного отталкивания, может стать отрицательная энергия. Как известно, отрицательные энергетические состояния присущи некоторым квантовым системам. Это наводит на мысль, что существование торновской экзотической материи не противоречит законам физики. Тем не менее пока неизвестно, удастся ли создать достаточное количество антигравитационного вещества для стабилизации туннеля (см. статью Лоренса Г. Форда (Lawrence H. Ford) и Томаса А. Романа (Thomas A. Roman) "Отрицательная энергия, пространственно-временные туннели и искривляющий двигатель" (Negative Energy, Wormholes and Warp Drive) в январском номере Scientific American за 2000 год).
Источник парадоксов

ПРЕСЛОВУТЫЙ МАТЕРИНСКИЙ ПАРАДОКС и ЕГО РАЗГАДКА
Пресловутый материнский парадокс возникает тогда, когда люди или материальные объекты попадают в свое прошлое и изменяют его. Простой пример: бильярдный шар попадает в туннельную машину времени. Вылетая из нее в прошлом, он сталкивается с самим собой и препятствует своему попаданию в туннель.



Разгадка парадокса проста: поведение бильярдного шара не должно противоречить логике или законам физики. Шар не может вылететь из туннеля так, чтобы самому себе помешать в него попасть. Зато он может пройти звездные врата бесконечным числом других способов.


Вскоре Торн и его коллеги осознали, что в случае создания стабильного пространственно-временного туннеля он может быть использован как машина времени: пройдя через такой туннель, можно будет оказаться не только в другой точке Вселенной, но и в другой точке времени - в прошлом или в будущем.

Чтобы приспособить туннель для путешествий во времени, необходимо один из его входов отбуксировать на достаточно близкое расстояние к поверхности нейтронной звезды. Тяготение звезды замедлит время вблизи этого входа в туннель, поэтому разница во времени между двумя входами будет накапливаться. Если затем поместить оба входа в соответствующем месте пространства, разница во времени между ними останется зафиксированной.

Предположим, что эта разница составит 10 лет. Пройдя через такой туннель в одном направлении, космонавт перенесется на 10 лет в будущее. Другой космонавт, пройдя сквозь туннель в обратном направлении, переместится на 10 лет в прошлое. Вернувшись с большой скоростью к месту своего отправления через обычное пространство, второй космонавт сможет оказаться дома еще до начала своего путешествия. Другими словами, пространственная петля может стать петлей во времени. Единственное ограничение - космонавт не может вернуться в тот период времени, который предшествовал созданию пространственно-временного туннеля.

Самой большой проблемой при создании туннельной машины времени является построение пространственно-временного туннеля. Возможно, наше пространство пронизано такими туннелями еще со времени Большого взрыва. В таком случае высокоразвитая цивилизация могла бы воспользоваться одним из них. Пространственно-временные туннели могут также возникать в микроскопических масштабах и иметь размеры порядка атомного ядра. В принципе такой туннель может быть стабилизирован энергетическим импульсом и затем как-нибудь растянут до приемлемых размеров.СИСТЕМА ХАРАКТЕРИСТИКИ НАКАПЛИВАЕМЫЙ
ВРЕМЕННОЙ СДВИГ
Авиаперелет скорость 920 км/ч
в течение 8 часов 10 наносекунд (относительно инерциальной системы отсчета)
Рейс атомной подводной лодки глубина 300 м в течение
6 месяцев 500 наносекунд (относительно уровня моря)
Нейтрон космического луча 1018 электрон-вольт Среднее время жизни увеличивается с 15 минут до 30 тыс. лет
Нейтронная звезда красное смещение составляет 0,2 Временные интервалы увеличиваются на 20 % (относительно открытого космоса


Запрещено цензурой!

Допустим, что инженерные трудности преодолимы. Тогда создание машины времени открывает ящик Пандоры, содержащий массу причинных парадоксов. Представьте себе путешественника, который отправляется в прошлое и убивает свою мать, которая в тот момент была еще маленькой девочкой. Бессмыслица, не правда ли? Если девочка погибает, то она не может стать матерью нашего путешественника. Но если он никогда не был рожден, то как он попал в прошлое и убил свою мать?

Парадоксы такого рода возникают всякий раз, когда путешественник пытается внести в свое прошлое заведомо невозможные изменения. Однако это не мешает кому-нибудь быть частью своего прошлого. Предположим, что, попав в прошлое, путешественник спасает юную леди от убийства, а она затем становится его матерью. Причинная петля в этом случае является самосогласованной и не выглядит парадоксальной. Таким образом, причинная согласованность может накладывать ограничения на действия путешественника во времени и вместе с тем не исключает путешествия во времени как таковые.

Не являясь строго парадоксальными, путешествия во времени, несомненно, остаются загадочными. Вообразим, что путешественник попадает в будущее на один год вперед и в свежем выпуске Scientific American знакомится с новой математической теоремой. Запомнив ее доказательство, он возвращается в прошлое и рассказывает о ней некоему студенту, который затем публикует статью об этой теореме в упомянутом журнале. Разумеется, это та самая статья, которую читал наш путешественник. Встает вопрос: откуда взялась информация о теореме? Не от путешественника, поскольку он всего лишь прочитал о теореме статью. Но и не от студента, который услышал о теореме от путешественника. Получается, что информация появилась ниоткуда и безо всякой причины.

Неестественные последствия путешествий во времени заставили некоторых фантастов напрочь отказаться от этой идеи. Стефан Хокинг (Stephen W. Hawking) из Кембриджского университета выдвинул "гипотезу защиты хронологии", которая запрещает существование причинных петель. Поскольку теория относительности, как известно, допускает путешествия в прошлое, то для защиты хронологии должен существовать какой-либо фактор, запрещающий такие путешествия. Что может стать таким фактором? Возможно, на помощь придут квантовые процессы. Существование машины времени позволит частицам попадать в свое собственное прошлое. Вычисления показали, что возникающая в результате этого цепная реакция породит расходящуюся энергетическую волну, которая разрушит туннель.

Защита хронологии все еще остается гипотезой, поэтому путешествия во времени пока не могут считаться невозможными. Вероятно, окончательное решение этой проблемы будет возможно в случае успешного обобщения квантовой механики и теории тяготения с использованием теории струн и ее дополнений (так называемой М-теории). Вполне возможно, что ускорители элементарных частиц следующего поколения будут способны создавать субатомарные пространственно-временные туннели, стабильности которых будет достаточно для совершения ближайшими частицами стремительных временных петель. Это будет лишь отголосок уэллсовского видения машины времени, который, впрочем, навсегда изменит нашу картину физической реальности.