Вовсе не фантастика: как складки и заломы в ткани пространства-времени открывают нам путь в будущее

До начала XX века в физике считалось, что пространство и время абсолютны. Пространство рассматривалось как некая сцена, на которой существуют и взаимодействуют материальные тела.

У пространства классической физики три измерения: каждый объект обладает длиной, шириной и высотой, а его положение относительно других тел определяется тремя координатами. Время существует независимо от пространства и определяет длительность и последовательность событий. При переходе от одной системы отсчета к другой расстояния и временные промежутки не изменяются.

Эти представления вполне удовлетворяли ученых до тех пор, пока не появились экспериментальные данные, которые никак не удавалось объяснить с позиции классической физики. Противоречия были разрешены с помощью теории относительности, созданной Альбертом Эйнштейном в начале XX века.

В 1905 году Эйнштейн опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел». В ней он сформулировал основные положения специальной теории относительности, и, в частности — самый известный ее постулат — о постоянстве скорости света.

В специальной теории относительности появляется единое четырехмерное пространство-время — время и пространство оказываются взаимосвязанными. В отличие от классической физики, наблюдаемые расстояния и временные интервалы не абсолютны — они зависят от скорости, с которой движется наблюдатель. Часы в движущейся системе координат идут медленнее, чем в неподвижной, а длина вдоль направления движения сокращается.

Через 10 лет в 1915 году Эйнштейн завершил создание общей теории относительности. Гравитация в ней — это не сила в привычном смысле, а проявление кривизны пространства‑времени, создаваемой массой и энергией.

Согласно этим представлениям, любой массивный объект искривляет вблизи себя четырехмерное пространство-время примерно так же, как мяч деформирует натянутую простыню в эксперименте, с которого мы начали наш рассказ.

Чем массивнее объект, тем сильнее он воздействует на пространство-время. Вблизи таких объектов время течет медленнее, а пути световых лучей искривляются.

Теория предсказала явления, которые позднее подтвердились экспериментально. Сам Альберт Эйнштейн предложил несколько вариантов доказательств. В частности: отклонение световых лучей под действием тяготения Солнца и гравитационное красное смещение.

Отклонение света в гравитационном поле Солнца было обнаружено английским астрофизиком Артуром Стэнли Эддингтоном в 1919 году во время наблюдения солнечного затмения. Ему удалось сфотографировать несколько звезд, которые в момент наблюдения были скрыты диском Солнца. Расчеты показали, что свет от этих звезд отклоняется на 1,61-1,98 угловых секунд, в то время как теория предсказывала отклонение 1,75 угловых секунд.

Гравитационное красное смещение — это изменение частоты электромагнитных волн по мере удаления от массивных объектов. Надежные результаты по измерению гравитационного красного смещения были получены в экспериментах Роберта Паунда только в 1960-х годах: теоретическое и измеренное значение смещения совпали с точностью 1%.

Явление гравитационного красного смещения доказывает, что время вблизи массивных объектов течет медленнее, чем вдали от них. Для сегодняшней техники это имеет значение: часы на спутниках глобальных систем позиционирования GPS и ГЛОНАСС идут быстрее, чем на Земле — за сутки набегает разница 37,7 микросекунд. Разница во времени влияет на точность позиционирования, поэтому в бортовые часы спутников вводится релятивистская поправка.

Из представления о пространстве-времени как о подвижной ткани следуют очень интересные возможности. Они пока не подтверждаются экспериментально, но вовсю изучаются теоретиками.

Вспомним наш эксперимент с простыней: давайте ее сложим пополам. Обратите внимание: противоположные края простыни оказываются совсем рядом. Примерно также ученые представляют себе «кротовые норы» (от англ. wormholes, или червоточины). Точки, далеко отстоящие друг от друга, если двигаться в «нормальном» пространстве-времени, могут оказаться «совсем рядом», если двигаться через «червоточину».

В кинофильме Interstellar (2014) режиссера Кристофера Нолана герои через кротовую нору возле Сатурна попадают к далекой планетной системе. На одной из планет близость огромной черной дыры вызывает сильное замедление времени: один час на поверхности равен семи годам на орбите — семья теряет годы жизни из‑за научной миссии.

Научным консультантом фильма стал физик Кип Торн. Он показывает гравитационное замедление времени (реально измеряемое) и идею кротовой норы как средство путешествия между удаленными местами. В фильме также ярко изображен аккреционный диск черной дыры и гравитационная линза.

Складки и разрывы пространства-времени создают теоретическую возможность путешествий не только в пространстве, но и во времени. Можно ли изменить настоящее, повлияв на события прошлого? — этот вопрос задают авторы сотен книг и создатели десятков фильмов.

Один из известных фильмов на эту тему — «Назад в будущее» (1985) режиссера Роберта Земекиса. Герой фильма — подросток Марти Макфлай — случайно попадает на машине времени сначала в будущее, затем в прошлое. Фильм полон юмора и иронии, но заставляет задуматься о том, как наши сегодняшние поступки определяют наше будущее.

Это одна из самых смелых идей двигателя для путешествий по Вселенной. Такой двигатель позволит космическим кораблям преодолевать огромные межзвездные расстояния со скоростями, превышающими скорость света, сжимая пространство перед собой и расширяя пространство сзади.

Никакие объекты не могут двигаться со скоростями выше скорости света. Однако варп-двигатель перемещает не корабль, а само пространство вокруг него — никакие физические законы при этом не нарушаются и теория этого не запрещает. К сожалению, для работы варп-двигателю потребуется «отрицательная» энергия и «экзотическая материя». Ни одна, ни другая экспериментально пока не обнаружены.

Теория относительности — не просто красивая идея: ее предсказания подтверждены в реальных экспериментах, а сформулированные в ней положения используются на практике.

Пространство и время — единая ткань, которая искривляется и «сминается» под действием массы и энергии. На первый взгляд, некоторые, вытекающие из теории относительности следствия кажутся фантастическими. «Кротовые норы», перемещения во времени, полеты быстрее скорости света — вполне возможно, что в будущем физики найдут способ сделать их реальными.