Чи зможемо ми колись подорожувати у часі? Ось що каже фізика

Британський науково-фантастичний телесеріал “Доктор Хто”, який триває з перервами з 1963 року, мабуть, одна з найвідоміших історій про подорожі у часі.

Разом із “Машиною часу” Герберта Веллса та культовою кінотрилогією “Назад у майбутнє” серіал досліджує спокуси та парадокси можливості потрапити у минуле чи майбутнє.

Герой серіалу Доктор подорожує у часі на “Тардісі” – вдосконаленому кораблі, який може вирушити будь-куди у часі та просторі. “Тардіс” суперечить нашому розумінню фізичного простору: він більший всередині, ніж здається зовні.

Але чи можливо це у реальному світі? Чи зможемо ми коли-небудь побудувати машину часу і відправитися на ній у далеке минуле або вперед, щоб побачити наших пра-пра-правнуків?

Відповідь на це запитання вимагає розуміння того, як насправді працює час – у чому фізики досі далеко не впевнені. Поки що ми можемо з упевненістю сказати, що подорож у майбутнє досяжна, але подорож у минуле або надзвичайно складна, або абсолютно неможлива.

Почнімо з теорії відносності Альберта Ейнштейна, яка описує простір, час, масу та гравітацію. Основний її висновок полягає у тому, що плин часу не є постійним. Залежно від обставин час може прискорюватися або сповільнюватися.

“Це те, що дає науково обґрунтовану лазівку для подорожі у часі і має реальні наслідки”, – каже Емма Осборн, астрофізик з Йоркського університету у Великій Британії.

Наприклад, час уповільнюється, якщо ви переміщуєтеся на дуже високій швидкості, хоча для того, щоб ефект був помітним, вам доведеться наблизитися до швидкості світла.

Це описує відомий парадокс близнюків, коли один із них стає астронавтом і летить у космосі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, а другий залишається на Землі.

Астронавт старітиме повільніше, ніж його близнюк на Землі. Близнюки Скотт і Марк Келлі втілили цей хрестоматійний приклад у реальності. Скотт провів багато місяців у космосі, хоча він і не літав зі швидкістю світла.

Так само час уповільнюється, якщо ви перебуваєте в інтенсивному гравітаційному полі, як-от чорна діра.

“Ваша голова старіє швидше, ніж ваші ноги, тому що гравітація Землі сильніша біля ваших ніг”, – каже Емма Осборн.

Це феномен також обіграли у десятому сезоні “Доктора Хто”, коли Доктор і його друзі опиняються у пастці на космічному кораблі поблизу чорної діри.

У передній частині корабля, ближче до чорної діри, час тече повільніше, ніж у задній частині. Це означає, що невелика група кіборгів у задній частині корабля здатна перетворитися на величезну армію, з точки зору Доктора, за лічені хвилини.

Цей вплив гравітації на час також зображений у фільмі “Інтерстеллар”.

Автор фото, Getty Images

За теорією відносності Альберта Ейнштейна, час може стистнутися, якщо ви подорожуєте з великою швидкістю відносно тих, хто поруч

У нашому повсякденному житті цей ефект надто мізерний, щоб його можна було помітити. Але він впливає на супутники, які ми використовуємо для глобальної системи позиціонування (GPS).

“Годинники вище клацають швидше, ніж годинники на Землі”, і їх потрібно постійно регулювати, каже Осборн. “Якби ми цього не робили, карти Google помилялися б приблизно на 10 км щодня”.

Відносність означає, що подорожі у майбутнє, принаймні теоретично, можливі.

Нам навіть не потрібна машина часу. Потрібно лише навчитися літати майже зі швидкістю світла або виживати в інтенсивному гравітаційному полі. У теорії відносності ці дві дії по суті еквівалентні.

У кожному випадку для вас мине небагато часу, тоді як для решти світу пройдуть десятиліття чи навіть століття. Якщо ви хочете побачити, що станеться через сотні років, ось так це і можна зробити.

Утім, повернутися назад у часі виглядає значно більш складним завданням.

“Насправді ми точно не знаємо, чи це взагалі можливо, – каже Барак Шошані, фізик-теоретик з Університету Брока в Канаді. – Наших теперішніх знань для цього просто недостатньо”.

Теорія відносності пропонує кілька варіантів подорожей у часі назад, але цього разу вони набагато більш гіпотетичні.

Кеті Мак, теоретичний космолог з Інституту теоретичної фізики Периметр у Ватерлоо, Канада.

Один зі способів полягає у тому, щоб створити так звану петлю часу: шлях через простір і час, який обертається назад сам по собі. Людина, яка йде цим шляхом, зрештою опиняється у той самий час і у тому самому місці, звідки вона почала.

Математично такий шлях описав вчений Курт Гедель у дослідженні 1949 року, а потім й інші дослідники.

Однак це не виглядає перспективним з кількох причин.

“Ми не знаємо, чи існує таке десь у Всесвіті, – каже Влатко Ведрал, дослідник квантової фізики з Оксфордського університету. – Це лише гіпотеза, жодних доказів ми не маємо”.

“Навіть якби ми мали набагато більші технологічні можливості, ніж зараз, здається малоймовірним, що ми могли б створити замкнені криві часу”, – каже Емілі Адлам, філософ з Університету Чепмена в Каліфорнії, США.

“Можливо, нам би це й не сподобалось, адже у такому разі нам довелось би знову і знову повторювати те саме”, – каже він.

Доктор використовує схожу схему в одному з епізодів серіалу, коли він проживає ті самі кілька годин знову і знову протягом мільярдів років.

Однак у його випадку це не замкнена крива часу, а радше – багаторазове використання телепорту.

Автор фото, Getty Images

Якщо вам вдасться потрапити в інтенсивне гравітаційне поле, як-от чорна діра, час для вас уповільниться

У дослідженні 1991 року фізик Річард Готт виклав математичний опис дивного сценарію, коли дві “космічні струни” рухаються одна повз одну у протилежних напрямках. За його розрахунками, це створило б замкнені часові криві, які обертаються навколо струн.

Лунає зручно, але де взяти пару космічних струн? Це гіпотетичні явища, які, за деякими теоріями, могли сформуватися на дуже ранньому етапі Всесвіту.

Жодних доказів їхнього існування тепер немає.

Є ще одне явище, яке, як здається, допускає теорія відносності – кротовини. Теоретично простір і час можна скласти як аркуш паперу, зʼєднавши дві точки на великій відстані. “Кротовини теоретично можливі у загальній теорії відносності”, – каже Ведрал.

Утім, і з ними не все просто. По-перше, у нас немає доказів того, що кротовини насправді існують. “Математично їхнє існування доведене, але це не означає, що вони є фізично”, – каже Осборн.

Але навіть якщо вони й можливі, час їхнього існування був би дуже коротким.

“Кротовини описують як дві чорні діри, які з’єдналися одна з одною, – каже Осборн. Це означає, що в ній буде неймовірно інтенсивне гравітаційне поле і вона одразу ж розвалиться під дією власної сили тяжіння”.

Справжні кротовини також були б мікроскопічно крихітними. Ані людина, ані навіть бактерія не вмістилися б у них.

Автор фото, Getty Images

Багато гіпотез про подорожі у часі, засновані саме на теорії відносності. А як щодо іншої великої теорії Всесвіту: квантової механіки?

Якщо теорія відносності описує поведінку великих об’єктів, як-от люди та галактики, квантова механіка описує дуже маленькі – зокрема, частинки менші за атоми, як-от електрони та фотони. У таких мікроскопічних масштабах фізика діє геть не так, як ми могли б припустити інтуїтивно.

Одним із особливих спостережень квантової механіки є явище, яке має назву “нелокальність”. Воно полягає у тому, що зміна стану частинки в одному місці може миттєво вплинути на іншу “повʼязану” з нею частинку в іншому місці. Ейнштейн назвав це явище “моторошною дією на відстані”.

Воно було неодноразово доведене експериментально у дослідженнях, які отримали Нобелівську премію, каже Емілі Адлам.

“Багатьом фізикам не подобається теорія нелокальності”, – каже Адлам. Адже для того, щоб ефект був миттєвим, інформація має передаватися з місця на місце зі швидкістю, вищою за швидкість світла. А це начебто неможливо.

У відповідь деякі фізики запропонували альтернативні способи інтерпретації експериментів. Ці інтерпретації спростовують нелокальність, але при цьому заважають нашому розумінню часу.

“Замість того, щоб отримати миттєвий нелокальний ефект, ви можете відправити свій ефект у майбутнє, а потім у якийсь момент він обернеться та повернеться в минуле”, – каже Адлам.

Він здаватиметься миттєвим, але насправді здійснить подорож у майбутнє і назад.

Здається, ця інтерпретація запроваджує поняття “ретрокаузальність”, тобто ситуацію, коли події в майбутньому впливають на минуле.

Це суперечить нашій інтуїції: ми уявляємо події, що відбуваються по прямій лінії, від минулого до теперішнього і до майбутнього. Але у цих особливих квантових установках інформація може подорожувати у майбутнє, а потім назад у минуле.

Утім, далеко не всі фізики визнають визнають таке пояснення. Багато хто стверджує, що теорія ретрокаузальності така ж тривожна, як і теорія нелокальності, або навіть гірше.

Автор фото, Getty Images

У квантовій фізиці ефект, який виникає в одному місці, може змінити стан чогось в іншому – і це досить моторошно

Навіть якщо ретроказуальність можлива, вона, ймовірно, не допоможе нам стати володарями часу.

“Ретроказуальність – це не зовсім те саме, що подорож у часі”, – каже Адлам.

По-перше, усі наші спостереження нелокальності стосуються крихітної кількості частинок. Масштабування до людини чи навіть чогось меншого, як аркуш паперу, було б величезним викликом.

Навіть повідомлення неможливо відправити у минуле, каже Адлам. “Ретроказуальність прихована у способі своєї реалізації”.

Щоб зрозуміти це, уявіть експеримент. Припустімо, що Адам проводить вимірювання в лабораторії. Однак результат, який він отримає, залежить від вимірювання, яке Бет зробить пізніше.

Іншими словами, експеримент Бет у майбутньому контролює результат експерименту Адама в минулому. Однак це спрацює лише у тому випадку, якщо експеримент Бет знищить усю інформацію про те, що робив і бачив Адам.

“Ви у певному сенсі посилаєте сигнал у минуле, але при цьому знищуєте всю інформацію про все, що сталося”, – каже Адлам.

“Але парадокс у тому, що вам також обов’язково доведеться знищити й інформацію про те, що ви надіслали сигнал”.

Отже, згідно з нашим теперішнім розумінням Всесвіту, ми потенційно могли б подорожувати в майбутнє, але минуле точно для нас зачинене.

Єдина лазівка полягає у тому, що теорії, на яких ці висновки ґрунтуються, є неповними.

Теорія відносності та квантова механіка дуже добре працюють для певних аспектів Всесвіту, але вони також несумісні. Це говорить про те, що нам потрібна глибша теорія, яка об’єднує ці дві теорії, але попри десятиліття вкладених зусиль ми й досі її не маємо.

“Поки ми не маємо такої теорії, ми не можемо дати остаточної відповіді”, – каже Барак Шошані.

Звичайно, є інший погляд. За той час, поки ви читали цю статтю, ви вже проподорожували приблизно на сім хвилин у майбутнє. Ласкаво просимо.

Знайти інопланетне життя – тепер лише питання часу. І ось чому

Багато хто з оптимізмом дивиться на перспективу виявити ознаки життя в далеких світах у недалекому майбутньому – можливо, навіть у найближчі кілька років.

Один із вчених, який очолював місію на Юпітер, сказав, що було б дивно, якби на одному з крижаних супутників планети не було життя.

Космічний телескоп NASA “Джеймс Вебб” нещодавно виявив натяки на наявність життя на планеті за межами нашої Сонячної системи, і йому ще належить дослідити багато інших світів.

Численні місії, які вже відбуваються або мають розпочатися, знаменують нові космічні перегони за найбільшим науковим відкриттям усіх часів.

“Ми живемо в нескінченному Всесвіті з нескінченною кількістю зірок і планет. І багатьом з нас було очевидно, що ми не можемо бути єдиним розумним життям”, – каже професорка Кетрін Гейманс, королівська астрономка Шотландії.

“Тепер у нас є технології та можливості, щоб відповісти на питання, чи самотні ми у космосі”, – додає вона.

Планети в “зоні Золотоволоски”

Телескопи тепер можуть аналізувати атмосфери планет, що обертаються навколо далеких зірок, шукаючи хімічні речовини, які – принаймні на Землі – можуть виробляти лише живі організми.

Перший проблиск такого відкриття відбувся на початку цього місяця. В атмосфері планети під назвою K2-18b, яка розташована на відстані 120 світлових років від Землі, виявили можливі ознаки газу, який на Землі виробляють прості морські організми.

Планета розташована у так званій “зоні Золотоволоски”, або зоні, придатній для життя – на такій відстані від своєї зірки, що температура на поверхні не є ані надто високою, ані надто низькою для наявності рідкої води, яка є важливою для підтримки життя.

Автор фото, NASA

K2-18 b обертається навколо холодної карликової зірки, зображеної червоним кольором, достатньо далеко, щоб її температура могла підтримувати життя

Команда науковців за рік планує перевірити, чи ці натяки підтвердилися чи зникли.

Професор Нікку Мадхусудхан з Інституту астрономії Кембриджського університету, який керував дослідженням, сказав ВВС, що якщо натяки підтвердяться, “це радикально змінить наше уявлення про пошуки життя”.

“Якщо ми знайдемо ознаки життя на першій планеті, яку ми вивчаємо, це підвищить ймовірність того, що життя є поширеним у Всесвіті”, – вважає він.

Він прогнозує, що протягом п’яти років відбудеться “велика трансформація” в нашому розумінні життя у Всесвіті.

Якщо його команда не знайде ознак життя на K2-18b, у них буде ще 10 планет зони Золотоволоски у списку для вивчення – і, можливо, багато інших після цього. І навіть якщо нічого не знайдуть, ці дослідження “дадуть важливу інформацію про можливість існування життя на таких планетах”.

Його проєкт є лише одним із багатьох із пошуку ознак життя у Всесвіті, які вже реалізують або планують найближчими роками. Деякі з них шукають життя на планетах нашої Сонячної системи, а інші дивляться набагато далі, у глибини космосу.

Яким би потужним не був “Джеймс Вебб”, він має свої обмеження. Розмір Землі та її близькість до Сонця дозволяють підтримувати життя. Але телескоп не зможе виявити далекі планети, настільки ж маленькі, як Земля (K2-18b у вісім разів більша), або настільки ж близькі до їхніх зірок, через відблиски.

У 2030-х роках NASA планує створити Обсерваторію населених світів (HWO). За допомогою високотехнологічного сонцезахисного екрану вона має мінімізувати світло від зірки, навколо якої обертається планета. Це має дозволити виявляти та брати зразки атмосфери планет, схожих на нашу.

У цьому десятилітті також має з’явитися Надзвичайно великий телескоп (ELT), який буде спостерігати за небом із чилійської пустелі. Він має найбільше дзеркало з усіх наявних пристроїв діаметром 39 метрів, і тому зможе бачити набагато більше деталей в атмосферах планет, ніж його попередники.

Усі три ці телескопи для аналізу атмосфери використовують техніку, яку використовували хіміки протягом сотень років, щоб розрізняти хімічні речовини всередині об’єктів за світлом, яке вони випромінюють.

Вони настільки потужні, що можуть зробити це за допомогою крихітного промінчика світла з атмосфери планети, що обертається навколо зірки за сотні світлових років від нас.

Пошуки по сусідству

Водночас інші дослідники ведуть свої пошуки ближче – серед планет нашої власної Сонячної системи.

Найімовірнішим місцем для існування життя є один із крижаних супутників Юпітера, Європа. Тріщини на її крижаній поверхні нагадують смуги тигра, а під нею є океан, який викид в космос клуби водяної пари.

Місії NASA та Європейського космічного агентства (ЄКА) прибудуть туди на початку 2030-х років.

Автор фото, NASA

Тріщини на поверхні Європи нагадують смуги тигра

“Було б дивно, якби на одному з крижаних супутників Юпітера не було життя”, – казала раніше ВВС Мішель Догерті, провідна науковиця європейської місії.

NASA також відправляє космічний корабель Dragonfly для посадки на один із супутників Сатурна, Титан. Це екзотичний світ з озерами та хмарами, створеними з багатих вуглецем хімічних речовин, які надають планеті моторошного оранжевого серпанку. Разом з водою ці речовини вважають необхідними складниками життя.

Зараз Марс не надто гостинний для живих організмів, але астробіологи вважають, що колись ця планета мала густу атмосферу та океани й могла підтримувати життя.

Марсохід NASA Perseverance зараз збирає зразки з кратера, який колись давно був дельтою річки. Окрема місія в 2030-х роках доставить ці породи на Землю, щоб проаналізувати їх на наявність мікрорешток потенційних простих форм життя, яких зараз давно немає.

Чи можуть інопланетяни намагатися вийти з нами на контакт?

Деякі вчені вважають, що це питання належить до сфери наукової фантастики, але пошуки радіосигналів з інопланетних світів тривають вже кілька десятиліть, і зокрема ними займається Інститут пошуку позаземного розуму (SETI).

Космос – величезний простір для пошуків, і наразі вони були випадковими й не мали якоїсь системи. Але завдяки здатності таких телескопів як “Джеймс Вебб” визначати найбільш імовірні місця існування інопланетних цивілізацій SETI може звузити діапазон своїх досліджень.

За словами докторки Наталі Каброл, директорки Центру Карла Сагана з вивчення життя у Всесвіті, це дало їм новий поштовх. Інститут модернізував свої телескопи й тепер використовує пристрої для пошуку сигналів від потужних лазерних імпульсів з далеких планет.

Як висококваліфікована астробіологиня, докторка Каброл розуміє, чому деякі вчені скептично ставляться до пошуку таких сигналів.

Але хімічні елементи з далеких атмосфер, дані, отримані завдяки прольотам повз Місяць і навіть мікрокопалини з Марса – усе це відкрито для інтерпретації, стверджує вона.

Пошук сигналу “може здатися найбільш надуманим з усіх підходів до виявлення ознак життя. Але він також буде найбільш однозначним і може статися будь-коли”, вважає науковиця.

“Уявіть, що ми отримаємо сигнал, який ми зможемо зрозуміти”, – каже докторка Каброл.

Тридцять років тому у нас не було доказів того, що планети обертаються навколо інших зірок. Зараз їх виявили понад 5000, й астрономи та астробіологи можуть вивчити їх у безпрецедентних деталях.

За словами доктора Субхаджита Саркера з Кардіффського університету, який є членом групи, що вивчає K2-18b, зараз є всі елементи для відкриття, яке стане чимось більшим, чим неймовірний науковий прорив.

“Якщо ми знайдемо ознаки життя, це буде революція в науці, а також масштабна зміна у тому, як людство сприймає себе та своє місце у Всесвіті”, – каже він.