Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

Ранее, когда разница по времени между устьями была гораздо меньше, червоточина еще не была машиной времени. Но она стала ею в тот момент, когда нечто, двигаясь с максимально возможной скоростью — скоростью света, — смогло пройти ваш путь и вернуться назад к верхнему устью точно в момент своего отправления.

Если это нечто — квант света (фотон), то выходит, что мы начали с одного фотона, а теперь в начальном месте и в начальное время их уже два. После того как эти два фотона пройдут тот же путь, мы получим в том же месте и в то же время уже четыре фотона, затем восемь, затем шестнадцать!.. Сквозь червоточину течет крещендо энергии, и, возможно, гравитация этой энергии уничтожит червоточину в тот самый момент, когда она станет машиной времени.

Казалось бы, это несложно предотвратить, просто оградив червоточину от фотонов. Однако кое от чего отгородиться не выйдет — от сверхвысокочастотных квантовых флуктуации света, флуктуации, которые неизбежно существуют, согласно законам квантовой физики (см. главу 26). В 1990 году Сунг Вон Ким (постдокторант из моей исследовательской группы) и я использовали законы квантовой физики, чтобы рассчитать, во что выльются эти флуктуации. Результатом оказался нарастающий взрыв (рис. 30.4). Сначала мы подумали, что силы такого взрыва недостаточно, чтобы уничтожить червоточину, и она станет машиной времени, несмотря на взрыв. Стивен Хокинг настаивал на обратном. Исход взрыва, сказал он, подчиняется законам квантовой гравитации. Только когда эти законы будут изучены, мы узнаем наверняка, возможны ли путешествия назад во времени.

Стивен, однако, был настолько уверен, что недопустимость машины времени в конце концов будет доказана, что сформулировал «гипотезу защиты хронологии». Она гласит, что законы физики всегда будут препятствовать путешествию назад во времени, «оставляя Вселенную безопасной территорией для историков».

Многие исследователи в течение последних двадцати лет старались найти доказательство или опровержение этой гипотезы Хокинга. Итог, на мой взгляд, остается тем же, что и в начале девяностых, когда мы со Стивеном обсуждали этот вопрос: нас рассудят только законы квантовой гравитации. 

Путешествие во времени через балк

Все эти исследования и выводы — обоснованные предположения — базируются на законах физики, которые преобладают вне балка с «большим» (то есть несвернутым) пятым измерением. Что же будет с путешествиями во времени, если принять существование «большого» балка, как в «Интерстеллар»?

Нам, физикам, законы теории относительности кажутся столь универсальными, что мы предполагаем, что они справедливы для балка не меньше, чем для нашей браны. Поэтому Лиза Рэндалл, Раман Сандрам и другие распространили законы Эйнштейна на балк нехитрым способом — добавив пространству одно измерение. Математически такое расширение выглядит просто и изящно, будто намекая, что физики на верном пути. В Кип-версий такое расширение служит исходным пунктом в вычислениях профессора Брэнда и в его попытках разобраться с гравитационными аномалиями (см. главу 25).

Если такое умозрительное расширение корректно, тогда в балке время ведет себя в целом так же, как и в нашей бране. В частности, объекты и сигналы в балке, так же как и в бране, могут двигаться в локально замеренном времени (локальном времени балка) лишь в одном направлении — от прошлого к будущему. Они не могут двигаться во времени назад, оставаясь в тех же пространственных координатах. Если в балке путешествие назад во времени допустимо, этого можно достичь, лишь перемещаясь в пространстве балка и вернувшись до начала путешествия, но при этом всегда двигаясь вперед в локальном времени балка. Это аналог путешествия туда-обратно на рис. 30.3 для балка. 

Сообщения для Мёрф: интерпретация физика

Такое понимание времени лежит в основе Кип-интерпретаций для передачи сообщений от Купера к Мёрф.

Вспомните, что тессеракт — это объект, грани которого обладают тремя пространственными измерениями, а его внутренняя часть — четырьмя. Эта внутренняя часть относится к балку. Все, что мы видим в сценах с тессерактом, происходит в его гранях: Купер, Мёрф, спальня Мёрф, стержни спальни, мировые трубки книг и часов — все это располагается в гранях тессеракта. Нам не показывают внутреннюю часть тессеракта, да мы и не сможем ее увидеть, поскольку свет распространяется лишь в трех измерениях, а не в четырех. Однако четвертое измерение доступно гравитации.

В Кип-версий, когда Купер видит книгу в спальне Мёрф, это происходит благодаря лучам света, которые путешествуют по граням тессеракта (например, красный пунктирный луч на рис. 30.5). А когда Купер сдвигает мировую трубку книги или мировую трубку секундной стрелки, он порождает гравитационный сигнал (гравитационную волну в балке), которая по спирали уходит во внутреннюю, принадлежащую балку часть тессеракта (фиолетовая кривая на рис. 30.5). Сигнал распространяется вперед в локальном времени балка, но назад относительно времени спальни, прибывая раньше своего отправления[95]. Этот сигнал и выталкивает книгу с полки или двигает секундную стрелку часов.

Рис. 30.5. Купер видит книгу, в частности, благодаря лучу света (красный пунктир) и воздействует на книгу с помощью гравитационного сигнала, который распространяется вдоль фиолетовой кривой. Одно из пространственных измерений браны здесь опущено

Это напоминает одну из моих любимых картин Эшера «Водопад» (рис. 30.6). Направление вниз на картине соответствует течению вперед времени в спальне, а текущая по акведуку вода соответствует течению вперед локального времени балка. Если на воду упадет листик, он будет двигаться по течению так же, как сигналы в балке распространяются вперед в локальном времени.

Когда листик станет двигаться вниз по водопаду, он будет похож на луч света, идущий от книги к Куперу, — он движется не только вперед в локальном времени, но и вниз (вперед во времени спальни). Листик, влекомый течением по акведуку, похож на гравитационный сигнал, идущий от Купера к книге: он движется вперед в локальном времени, но также вверх[96] (то есть назад относительно времени спальни).

Как я в этой интерпретации объясняю слова Амелии Брэнд о времени, каким его видят сущности из балка? «Возможно, для Них время — просто еще одно физическое измерение. Для Них прошлое может быть каньоном, куда они могут спуститься, а будущее — горой, на которую можно взобраться».

Законы теории относительности, распространенные на балк, говорят нам, что локальное время так себя вести не может. Ничто в балке не способно вернуться назад в локальном времени балка. Однако время спальни, которую наблюдает из балка Купер (и, по-видимому, пятимерные сущности), вполне соответствует описанию Брэнд. Если смотреть из балка, то время нашей браны выглядит как «просто еще одно физическое измерение». Прошлое нашей браны — «каньон», куда Купер может «спуститься» (двигаясь вниз по диагональному проходу тессеракта), а будущее нашей браны — «гора», на которую Купер может «взобраться» (двигаясь вверх по диагональному проходу тессеракта); см. рис. 29.14.

Это моя интерпретация слов Брэнд. И Крис понимает их так же.

Рис. 30.6. Водопад (Литография Маурица Эшера.) 

Прикасаясь к Брэнд через пятое измерение

В «Интерстеллар», когда квантовые данные уже переданы Мёрф, миссия Купера завершена. Тессеракт, перенося его через балк, начинает закрываться.

Пока он закрывается, Купер видит червоточину. А в червоточине он видит «Эндюранс» во время путешествия к Гаргантюа. Проносясь мимо «Эндюранс», Купер протягивает руку и с помощью гравитации, через четырехмерное пространство прикасается к Амелии Брэнд. Она думает, что к ней прикоснулась сущность из балка. Так и есть… Сущность, путешествующая через балк в тессеракте, который стремительно закрывается. Многое переживший Купер из будущего.

31. Эвакуация колоний с Земли

В начале фильма, когда Купер впервые оказывается на секретном объекте NASA, ему показывают гигантскую цилиндрическую станцию, построенную, чтобы доставить тысячи людей в космос и стать домом для многих поколений: космическую колонию. Ему сообщают, что похожие корабли строятся и в других местах.

«Как вы запустите ее с Земли?» — спрашивает Купер профессора. «Те первые гравитационные аномалии изменили все, — отвечает профессор. — Мы вдруг поняли, что гравитацию возможно укротить. Тогда я начал разрабатывать теорию — и мы приступили к постройке этой станции».

В конце фильма мы видим, как повседневная жизнь вернулась на круги своя — внутри космического корабля-колонии (рис. 31.1).