Tidsresa tas inte mer allvarligt än fantasin från science fiction-författare. I själva verket är detta ett unikt fenomen - det direkta härledningen av ekvationer som beskriver fysiken i vår värld. Vad som kan göra sådana resor till verklighet finns i vårt material.
Vår spaltist och fysiker Daria Zaremba tror att strävan att översätta idén om tidsresor till praktiken i praktiken kan bidra till vetenskapliga framsteg och okonventionella upptäckter. När allt kommer omkring är detta hur exotiska frågor, fotoniska raketer och nya egenskaper hos astrofysiska föremål föds. Hon sammanställde en ordbok med mekanismer som teoretiskt kunde skicka människor på en resa genom tiden.
B - Varp-enhet
En varpstation är en hypotetisk teknik för att resa till framtiden, i vilken, på grund av deformation av rymdtidens kanfas, skapas rörelsens effekt med en hastighet som överstiger ljusets hastighet.
Föreställ dig att du ligger på en matta och att du behöver utan att röra dig utanför dess främre kant. En möjlig lösning är att krossa framsidan av mattan under dig och sedan dra ut genom att dra på baksidan. Ungefär samma kan göras med "mattan" i tid: detta är principen som används av ett hypotetiskt rymdskepp som drivs av en varpstation.
Han komprimerar utrymmet framför honom och expanderar det bakom och skapar illusionen av rörelse med en hastighet flera gånger ljusets hastighet. I det här fallet kommer det inte att finnas några tidvattenkrafter i rymdskeppet och den faktiska accelerationen kommer att vara lika med noll.
Besättningen kan lätt smutta på cocktails från sugrör eller till och med koppla av i den bubblande jacuzzin, medan rymdskeppet galet "skakar" rymdtid under sig själv och tar resenärerna in i galaxens tarmer.
Kampanjvideo:
En modell av tidsmaskin baserad på varpdrivteknologi är Alcubierri Bubble, uppkallad efter sin mexikanska uppfinnare, Miguel Alcubierri.
Hela fysiken för att resa till framtiden på en sådan "enhet" är baserad på postulaten av den speciella relativitetsteorin, som säger att efter bubblan slutar, kommer besättningen att hitta omvärlden åldras under många år, för för dem har tiden inuti bubblan bromsat.
I det här fallet kommer det inte att inträffa några kränkningar av principen om frigörelse av ljusets hastighet, eftersom i detta fall rörelse snabbare än ljus inte betyder att själva bubblan rör sig med en sådan hastighet, men att bubblan når sin destination snabbare än en ljusstråle som rör sig utanför bubblan.
Men för att skapa en sådan effekt av deformation av rymdtid krävs en speciell fråga som uppvisar okonventionella fysiska egenskaper - "exotiskt material", vilket skapar ett skal (bubbla) runt rymdskeppet och ger själva "raking" av rymden. Även om framsteg i produktionen av sådant material inte har observerats, är resonemanget om lämpligheten av en varpmotor i praktiken ganska begränsad.
Den teoretiska mekanismen för varpdrivningen.
D - Gravity
Tyngdkraft - i bred mening - en manifestation av rymdtidens krökning, i en smal bemärkelse - kraften som lockar föremål.
Den välkända medarbetaren på patentkontoret - Albert Einstein hjälpte till att öppna portarna för världen av "tidshantering". För att göra detta behövde han bara upprätta två saker: för det första - att utrymme och tid är oöverskådligt länkade, för det andra - att massiva kroppar med deras massa kan deformera denna rymd-tidduk och skapa gravitation.
Med andra ord bevisade Einstein att jorden (som andra liknande massiva kroppar), "böjer" rymdens "trampolin" med sin massa (skapar cirkulära banor runt sig själv), samtidigt böjer tiden, nämligen, bromsar sin gång när den närmar sig till ytan (och djupare).
Denna revolutionära karaktär var att för första gången inte längre upplevdes som ett absolut värde i klassisk mekanik. Det konstaterades att armbandsuret från en gruvarbetare och en klättrare fästs annorlunda (även om det är omöjligt i en sådan skala), en tvillingbror som bor vid floden är yngre (igen, inte betydligt) sin bror som bor i ett hus på ett berg, och jordens kärna är yngre dess yta.
Således hittades ett sätt att bromsa "ens" tid och därmed resa in i framtiden, närmar sig till exempel en kropp vars massa är många gånger större än jordens massa och sedan återvänder till hemplaneten och funderar över framtidens värld.
D - Svart hål
Ett svart hål är ett föremål i rymden som har kollapsat under påverkan av sina egna gravitationskrafter i en sådan utsträckning att till och med elektromagnetisk strålning inte kan fly från sitt gravitationsfält.
Det bästa objektet att resa till framtiden, om du väljer gravitationsmekanismen för att påverka tiden, är definitivt ett svart hål.
För att bläddra igenom en sådan resa måste du gå in i rymden direkt till henne. Gå ner där på en superstark kabel, men bara för att inte korsa händelseshorisonten - gränsen i ett svart hål, följt av "spaghettifiering" - sträckning och rivning av alla föremål som kom dit under påverkan av singular gravitation.
Så länge du hänger i detta läge bromsar tiden för dig. Samtidigt är det helt omöjligt för dig själv, eftersom allt i din referensram bromsar ner: ämnesomsättning, biologisk klocka, hjärtslag, rörelse av elektroner i atomer, och så vidare.
Men om du på något mirakulöst sätt kan spionera på jordgubbar från ditt svarta hål, så verkar det för dig att de rör sig med en tiofaldig accelererad hastighet! Och de tittar på dig skulle tro att de tittar på en video med långsam rörelse.
Därmed motsvarar din ena dag nära ett svart hål nästan tre års liv på jorden (det beror också på hur nära du är vid horisonten - tiden stannar alls vid det). Och när du, hänger så lite, återvänder till din hemplanet, kommer du att märka att världen är tillräckligt gammal i din frånvaro. Voila - du är i framtiden!
Mekanismen för att resa till framtiden genom effekten av tidsutvidgning nära händelseshorisonten för ett svart hål. Kottarna i bilden är "ljuskottar" - hypertyget för rymdtid som begränsar områdena för framtiden och det förflutna relativt en given händelse. Kottens lutning visar astronautens tidförändring. Mer information om ljuskonens struktur i bilden nedan:
Ljus kon.
Förutom att användas som en "gravitationsmoderator" kan roterande svarta hål vara användbart för att resa in i det förflutna. Faktum är att de på grund av deras gravitationsfält kan skapa så kallade "stängda tidiga kurvor" och flytta längs vilka resenären kan röra sig tillbaka i tiden.
Men "nyttan" av svarta hål eftersom tidsmaskiner inte slutar där heller. Enligt den engelska fysikern och matematikern Roger Penrose kan vissa svarta hål - nämligen de med laddning eller rotation - tjäna som "grindar" för framtidens universum.
Enligt Penrose-diagrammet byts rumsliga koordinater utöver händelseshorisonten med temporära.
Det ovanliga med svarta hål med en laddning eller med ett moment av rotation är att de borde ha två sådana händelsevisont. Följaktligen kommer utbyte av rumsliga och temporära koordinater också att ske två gånger.
Det visar sig att astronauten hoppar in i ett sådant hål först kommer att övervinna en händelseshorisont - punkten om ingen återkomst och sedan den andra, som kommer att följas av framtidens universum. Men sådana våghalsar finns troligtvis inte, så hypotesen förblir skakig.
З - Stängd tidlik kurva
En stängd tidliknande kurva är en världslinje (en kurva i rymdtid som beskriver en kropps rörelse) i strukturen i rymdtid, som returnerar ett objekt till en händelse (en punkt i rymdtid) som den redan har passerat.
ZVK - en av de matematiska lösningarna för ekvationen General Relativity. Det är detta fysiska fenomen som oftast tolkas som huvudmekanismen för att resa in i det förflutna.
Enligt gravitationsekvationer kan en sluten tidliknande kurva bildas där ett massivt objekt eller ett kraftfullt gravitationsfält rör sig och bokstavligen "drar" rymdtid bakom sig. Det är därför som bara roterande svarta hål kan skapa ZVK - det statiska gravitationsfältet kan inte bilda dem.
När man rör sig längs CEC återgår objektet till samma rumsliga koordinater från vilka det lämnade, men med ankomsttiden innan dess utgång. Det vill säga, det faktiskt gör en resa till det förflutna.
L - Laser
En laser (från ljusförstärkning genom stimulerad strålning) är en anordning som avger en intensiv monokromatisk smal elektromagnetisk stråle med lång räckvidd.
På grund av dess egenskaper har laserstrålen en ökad energitäthet, som till och med kan överskrida energitätheten för en kärnkraftsexplosion (med en maximal minskning av strålbredden).
Författaren till en av de mest enkla och sofistikerade tidsmaskinerna i implementeringen är den teoretiska fysikern vid University of Connecticut, Ronald Mallett.
Idén att skapa en sådan enhet kom från professorn i barndomen, när hans far oväntat dog av en hjärtattack vid 33 års ålder. Professor har upprepade gånger medgett att allt han har uppnått inom vetenskapsområdet är baserat på hans oändliga kärlek till sin far och önskan att träffa honom igen.
Under många år arbetade Ronald med sin modell av en tidsmaskin, gömde den för kollegor och "gömde sig" studien av svarta hål. Och vid 70 års ålder lyckades han få önskat resultat.
Mallet's modell bygger på energin från en laserstråle. Och skapandet underlättades av den mest berömda Einsteins ekvation - E = mc2.
Från denna legendariska formel följer det att massan är ekvivalent med energi, vilket innebär att rymdtidskanvasen också bör förvrängas under påverkan av höga energier.
Låt oss nu prata om energin från elektromagnetisk strålning (i smal bemärkelse - ljus). Det överförs, som ni vet, med fotoner - "delar" av elektromagnetisk strålning. De senare har i sin tur energi, som kan beräknas med en speciell formel: E = hv, där h är proportionalitetskoefficienten (Plancks konstant), och nu är fotonfrekvensen.
Således visar det sig att en ljusstråle också kan skapa ett gravitationsfält, eftersom den har energi. Det var denna tanke som lägger grunden för Ronald Mallets vetenskapliga verk.
Forskaren tog en kraftfull laserstråle och med hjälp av ett spegelsystem fick den att cirkulera i en cirkel och skapade en så kallad laserring. Tanken är att rymdduken i denna ring är förvrängd och vrider sig som en bubbelpool.
Vi observerar ungefär samma sak när vi rör om te med en sked. På grund av sådana "manipulationer", tillsammans med rymden, stängs tiden inuti ringen i en slinga, vilket gör det möjligt att flytta föremål som har kommit in i det förflutna.
Geometrin för Ronald Mallett tidsmaskin.
Enligt professorn kommer en sådan enhet att kunna skicka kodade meddelanden till det förflutna och överföra partiklar i tid. Det är sant att ett sådant meddelande kan resa endast tills skapandet av denna tidsmaskin: det kommer att fungera både som sändare och mottagare.
Således kommer det till exempel att vara möjligt att varna människor från det förflutna om förestående katastrofer. När det gäller rörelsen av makroobjekt på detta sätt kommer forskare här, som de säger, att svettas.
Men en sådan tidsmaskin är inte heller utan sina "fallgropar". Till exempel kritiserades teorin av Allen Everett och Ken Olum för fel vald geometri för rymdtid för bildandet av den förväntade slutna timelike kurvan (CTC).
Forskare blev också generade över den mängd energi som krävs: enligt deras beräkningar, för att provocera SEC i rymdtid, måste laserns diameter överstiga storleken på det synliga universum. Och även om Ronald försökte minska mängden energi som krävdes genom att bromsa ljuset på sin laser, visade de långsamma strålarna sig värdelösa i studien.
O - negativ energi
Negativ energi är en av varianterna av "exotisk materia" (mer exakt - "energi"), erhållen genom Casimir-effekten, som kan användas för att resa in i det förflutna, samt för att upprätthålla maskhål.
I en förenklad form kan "receptet" för att erhålla sådan energi beskrivas på följande sätt:
Ta två oladdade metallplatina och placera dem i vakuum. Vi samlar plattorna så mycket som möjligt, men så att de inte kommer i kontakt.
Vi observerar attraktionen av plattorna till varandra. Detta beror på det faktum att vakuumet faktiskt har energi - även om det inte innehåller partiklar som vi känner till, uppstår par av virtuella partiklar och antipartiklar ständigt och förstörs (ömsesidigt förintas) i det.
Sådana processer genererar tryck. Men eftersom vi lämnade ett litet gap mellan plattorna, är koncentrationen av partiklar från partiklar där mycket mindre än i utrymmet runt. Därför börjar starkare tryck från utsidan att föra plattorna närmare varandra.
Samtidigt som plattorna dras in reducerar plattorna vakuumenergin mellan dem under den normala nollpunkten och skapar därmed ett utrymme med negativ energi.
Casimir-effekt.
Fenomenet med utseendet på negativ energi som ett resultat av ett sådant experiment kallas Casimir-effekten - för att hedra den nederländska fysikern Hendrik Casimir. Sådan energi kan potentiellt orsaka den rymd-tid-krökning som krävs för att resa in i det förflutna.
Mängden negativ energi som genereras på detta sätt är emellertid försumbar jämfört med hur mycket den behövs för korrekt deformationseffekt. Men som forskare noterar är utvecklingen av en mekanism redan en bra framsteg.
R - Relativistiska effekter
Relativistiska effekter är fysiska fenomen som observeras när ett objekt rör sig med nära ljushastigheter. De är föremål för studie i relativistisk mekanik baserad på den speciella relativitetsteorin.
Bland alla relativistiska effekter, såsom en ökning av massan, en minskning av ett objekts längd, är det mest intressanta och praktiska, ur synvinkeln för användning i tidsresor, effekten av tidsutvidgning.
Enligt den relativa teorin om relativitet, för en kropp som rör sig med en hastighet som är jämförbar med ljusets hastighet, bromsar tiden relativt kroppar i vila.
Denna teori fann sin experimentella bekräftelse 1971, då två desperata fysiker Hafele och Keating flög runt världen två gånger med fyra atomklockor ombord. När de landade upptäckte de att resevakten verkligen höll sig bakom de återstående timmarna vid United States Naval Observatory.
Som en tidsresor kan det se ut så här. Låt oss säga att du har hittat ett sätt att påskynda ditt rymdskepp till 99,5 procent ljusets hastighet. I det här fallet kan du komma till en av de närmaste stjärnorna i, säg, en minut. Fyra år kommer att gå på jorden.
På vägen fram och tillbaka kommer du att spendera två minuter av din subjektiva tid - på grund av effekten av tidsutvidgning i fartyget, och när du återvänder till Jorden kommer du att hitta den åtta år äldre.
Välsign förresten den stora Einstein varje gång du letar efter en närliggande hamburgare på online-kartor: om GPS-satelliterna inte beaktade dessa hastighetsavbromsningar i tid (och de rör sig med en orbitalhastighet på 14 000 km / h) skulle markören för den plats du behöver visas med ett kilometerfel …
Det är emellertid inte en lätt uppgift att accelerera till en hastighet nära ljusets hastighet. Einstein konstaterade att ljusets hastighet är den största möjliga rörelseshastigheten och endast kan uppnås med något utan massa. Ju större massan för ett föremål är, desto mindre troligt är det att nå hastigheten nära ljuset.
En av orsakerna till detta är den kolossala ökningen i massa när man når nära ljushastigheter. Därför kan till exempel fotoner, ljuspartiklar som inte har vilamassa röra sig med en sådan hastighet.
Även om det idag finns idéer för skapandet av så kallade fotoniska raketer (som till exempel raketen från den norska professor Haug), är accelerationen till sådana hastigheter oförenlig med liv för besättningen på grund av överdriven överbelastning. Så för tillfället talar vi om detta sätt att resa till framtiden bara i teorin.
H - maskhål
Ett maskhål, eller maskhål, är en teoretisk passage i rymdtidens struktur som förbinder två avlägsna händelser (punkter i rymdtid) i universum.
Maskhål är som genomgående svarta hål. De har också en händelseshorisont, men först efter att ha passerat den riva den inte isär under påverkan av stark tyngdkraft, utan bara "spottar ut" från motsatt sida, redan på en annan tid i rymden (det viktigaste är inte att förvirra ett svart hål med en mullvad, annars istället för att resa till en annan tid kommer du att flytta "till nästa värld").
Sådana ingångar och utgångar kallas munnar, och de är förbundna med en halstunnel som passerar genom universum. Ett maskhål kan ansluta både tidigare och framtida händelser.
Det finns ett antagande om att hela vårt universum är besatt av maskhål. Först nu existerar de i form av "kvantskum" på otroligt mikroskopiska nivåer: de är lika många gånger mindre än atomkärnan, lika mycket som kärnan är mindre än planeten Jorden (vi talar om det så kallade skummet från John Wheelers rymdtid).
Och det finns en hypotes om att i mikroskopiska maskhål i processen med att utvidga universum kunde ha ökat till en märkbar storlek.
Forskare föreslår också att svarta hål kan vara "ingångsmunnen" för vissa maskhål. Enligt den berömda astrofysiker-teoretikern och kosmologen Igor Novikov är kärnorna i vissa galaxer inte supermassiva svarta hål, utan ingången till ett maskhål.
Det är därför, som professorn konstaterar, när man letar efter maskhål bör man först titta på galaxens centrum. Enligt forskaren är det mycket möjligt att vissa maskhål kan koppla samman händelser (punkter i rymden) i två olika universum.
Problemet med ett maskhål är dock att det kollapsar innan något kan passera genom det. Och för att göra ett maskhål passabelt och mer eller mindre stabilt krävs ett fält med negativ energitäthet, som håller munnen öppen.
Den antigravitet som skapas av sådant ämne kommer att verka mot gravkrafterna ("pressa") av maskhålen, och därmed kommer det att vara möjligt att tvinga den att stanna längre i ett acceptabelt tillstånd och samtidigt öka dess storlek.
Den populära amerikanska fysikern och astronomen Kip Thorne föreslog en mekanism för att upprätthålla ett maskhål genom att placera parallella ledande plattor på motsatta sidor av den.
Detta, enligt Casimir-effekten, kommer att skapa negativ energi på båda sidor, vilket kommer att förhindra att hålen kollapsar. Samtidigt, under påverkan av negativ energi, kommer maskhålet att expandera, vilket är mycket användbart om du är van vid att resa i tid i ett imponerande rymdskepp (fortsätter Thornes hypotes, astrofysiker från Cambridge University Luke Butcher föreslog ett mer effektivt sätt att skapa negativ energi i ett maskhål genom att generera dess mycket maskhål utan användning av plattor).
Emellertid måste mängderna av denna negativa energi för att upprätthålla ett maskhål vara enorma. Samtidigt visar beräkningar att detta antal har sin egen gräns, vilket lugnar science fiction-författare lite.
Modellering av Kip Thorn av utseendet på munnen på ett maskhål beroende på dess längd och linsning.
E - Exotisk materia
Exotisk materia är fråga som på ett eller annat sätt skiljer sig från det klassiska och har "exotiska" egenskaper. Detta kommer att betraktas som en fråga som har en negativ massa eller som kan röra sig med superluminal hastighet eller som består av partiklar som skiljer sig från våra vanliga baryoner (det vill säga protoner och neutroner) - som till exempel mörk materia.
I teorin om tidsresor spelar exotisk materia en av nyckelrollerna för att förverkliga resor till det förflutna. Teoretiker säger att om en exotisk substans skapas eller upptäcks som kan deformera rymdtid på ett okonventionellt sätt, kan en tidsslinga bildas i strukturen i rymd-tidskontinuumet, lämpligt för att röra sig bakåt i tiden.
Detta bevisas till exempel av författaren till en av tidsmaskinens mest exakta matematiska modeller - Traversable acausal retrograde domains in spacetime (TARDIS) - Kanadensisk matematiker och fysiker Ben Tippett:
”Den krökningseffekt av rymdtid som vi är mest bekant med är allvar: den drar oss mot jordens centrum och planeterna mot solen.
Men i Einsteins teori kan rymdtidens krökning generera många mer olika effekter: roterande massiva kroppar drar närliggande föremål i riktningen för sin rotation; Universum expanderar snabbt; massiva föremål kan orsaka gravitationella vågor som nyligen mäts av Ligo-observatoriet,”konstaterar forskaren.
Enligt honom tillåter Einsteins teori att du kan koppla olika typer av krumning av rymdtid med en annan karaktär av det aktuella ämnet. "Vår rymdgeometri var utformad för att möjliggöra tidsresor, och Einsteins ekvation berättar vilken typ av materia som kommer att böja universum på detta sätt med sin vikt: exotisk materia i synnerhet."
Så enligt Tippets modell borde tidsmaskinen vara något som en "låda" (en fysiskt konkret struktur) omgiven av exotiska ämnen.
Dessutom borde negativ energitäthet ge "exotik" till denna fråga: med andra ord, den bör skapa något som ett gravitationsfält och böja rymdtid på ett ovanligt sätt för oss - så att tidslinjen stängs in i en ring och bildar en stängd tidliknande kurva.
Ben Tippetts TARDIS-rörelse i rymden - längs en stängd tidlik kurva.
"Det räcker med att distribuera den på utsidan av 'maskinen', och universum kommer att böjas som önskat som svar på dess närvaro," förklarar Ben.
Ben presenterade alla beräkningar som bevisade möjligheten att skapa en sådan tidsmaskin i sin artikel publicerad 31 mars 2017 i tidskriften Classical and Quantum Gravity.
Exotiska ämnen med tyngdkraftsegenskaper behövs också för att upprätthålla permeabiliteten för maskhål. Idag anses den mest lämpliga typen av exotiska ämnen vara negativ energi genererad på grund av Casimir-effekten.
Tidsresor verkar inte så fantastiskt för dig? I nästa artikel av Daria Zaremba, läs om vad som förhindrar mänskligheten från att drömma om dessa förskjutningar - om att vederlägga tankeexperiment, paradoxer av resor till det förflutna och deras lösningar.
Daria Zaremba