Интересно, что путешествие во времени и пространстве будоражит умы не только фантастов, но и ученых. На эти фундаментальные вопросы отвечает кандидат физико-математических наук Сурдин В.Г.
– Владимир Георгиевич. То, что Время меняет свой ход рядом с Чёрными дырами это доказаная теория?
– Можно сказать, что доказанная. Пространство – время – это единая сущность. Меняется и время и пространство.
– Получается, что прогнозы общей теории относительности предсказывают, что можно перемещаться по Вселенной со скоростью выше световой?
– Да, это так. Если чёрные дыры организованы в такой пространственно-временной канал под названием кротовые норы, то можно и в пространстве перемещаться быстрее света, и даже во времени. И делать это не только вперёд, но и назад.
Принцип работы атомных часов.
Чтобы разобраться в путешествии во времени и пространстве надо сперва понять сами эти понятия.
– Тема которую мы сегодня обсуждаем вообще стала возможным благодаря точным приборам которые это время измеряют. А как мы сегодня измеряем время?
Ну сегодня главный прибор для измерения времени – это атомные часы. Часы которые мы носим на руках это не электронные. Хотя мы их часто называем электронными часами – это механические часы на основе кристалла кварца. Они очень точные. Нам в быту достаточно. Но по-настоящему точные часы, по-настоящему атомные (то есть те в которых атом хранит точное время) – это совсем иного сорта часы. Там колебания электрона в атоме очень быстрые. Это миллиард с лишним колебаний в одну секунду. Именно такие часы служат нам сегодня опорой для измерения времени. И только благодаря им мы можем доказать, что теория относительности работает.
Зачем нужны атомные часы?
– А вообще давайте вспомним, зачем нам такие точные часы понадобились?
Так многие думают, что это изыск какой-то, такие фокусы физиков. Что им просто нечего делать. Ну а правда?
Самые современные атомные часы работают на охлажденных атомах. Атомам нужно стоять на одном месте, чтобы колебаться совершенно одинаково (со стандартной частотой). Такие часы могут ошибиться на одну секунду за время жизни Вселенной. То есть почти за 14 млрд лет ошибка на 1 секунду. Это никому не нужно думают все. На самом деле это нужно каждому из нас, кто пользуется спутниковой навигацией.
Как работает спутниковая навигация?
Спутниковая навигация основывается на точном измерении времени.
Летают спутники вокруг земли. Их много. Каждая система спутниковой навигации – это как минимум 24 работающих спутника. GPS Американская, ГЛОНАС Российская, Бэйдоу Китайская, Галилео Европейская. Они ничто иное как время, хранимое на борту спутников.
И вот над вашей головой пролетает несколько спутников. Ваш гаджет (телефон), в котором спутниковый навигатор, получает радиосигналы от этих спутников. А что в этих сигналах? Сигналы точного времени. Вот больше ничего. Атомные часы на борту этих спутников передают вам какое время там на борту. Там на спутнике часы послали радиосигнал. А пока он дошёл до вас время уже немного прошло вперёд. И ваш гаджет (ваш спутниковый навигатор) смотрит: “Ага послан был сигнал в такое время, а пришёл в иное какие-то микросекунды очень маленькие”. Но вот этого маленького зазора во времени умноженного на скорость света точно хватает, чтобы определить расстояние до спутника. Ну и что? А вот что. В течении недели примерно один раз (иногда в течение 10 дней) спутник передаёт расписание своего полёта. Астрономы следят за этими спутниками и высчитывают их траекторию.
Отсюда ваш навигатор знает координаты спутника и на каком расстоянии находитесь. Это где то на поверхности шара со спутником в центре. Три спутника и нам достаточно, чтобы узнать какой точке мы? Нет недостаточно. И вот почему. Какие часы на спутнике? Атомные супер – супер точные. А какие часы у нас в навигаторе? Тут в гаджетах или вот на руке? Получается ошибочка, расхождение (отсюда не точное расстояние). Значит мы получаем сигнал от четвёртого спутника. Четыре уравнения, как говорят математики с четырьмя неизвестными. Три неизвестных – это координаты в пространстве четвертое неизвестное это поправка наших часов. Четыре спутника бывает у нас над головой всегда. Иногда их семь, иногда восемь. Если мы находимся в степи или на море, то число спутников навигации может достигать 12. В городах дома закрывают часть спутников. Железный автомобиль тоже уменьшает сигнал.
Формула расчета расстояния:
S=с*t ,
где S – расстояние до спутника,
с – скорость радиосигнала (равная скорости света). Приблизительно равно 3×108 м/с, но вносится дополнительный коэффициент на среду (вакуум – воздух),
t – время “рассинхрона” между временем в гаджете и на спутнике.
Таким образом навигация работает благодаря точному времени.
Проверка общей теории относительности.
Путешествие в пространстве через черную дыру?
– То есть теперь нам нужно разобраться, что происходит со временем вблизи чёрных дыр. И что происходит с этими самыми атомными часами. Что будет если туда отправить какой-нибудь наш гаджет или наручные часы?
– Вот ты сказал Если. Ну мы же не бросали в чёрную дыру пока еще атомный прибор. Да я думаю, что и не будем. Прибор дорогой. Вообще зачем его туда бросать? Нам главное эффект почувствовать.
Чёрная дыра – это маленькое массивное тело. Чем ближе к нему тем больше и сильнее гравитация. Ну хорошо. А давайте попробуем этот эффект не там рядом с чёрной дырой, а тут. На Земле тоже есть Гравитация вот мы сидим и нас притягивает Земля. Гравитация работает не так сильно как рядом с чёрной дырой. Хорошо, если этот эффект работает на земле, уж тем более он сработает у чёрной дыры. Физики сделали такой эксперимент. Взяли одни атомные часы положили на пол, другие подняли на 2-3 этажа в своём офисе и посмотрели как они идут. Чем дальше от Земли, тем слабее Гравитация, тем быстрее идут часы. Чем ближе к Земле – тем мощнее гравитационное поле. А гравитационное поле чем оно мощнее, тем медленнее заставляет все процессы происходить и атомные, и биологические всё это общий закон. Расхождение тут же произошло.
Гравитация влияет на время.
– Давайте ещё раз напомним. Что произойдёт с человеком который полетит к Солнцу, например, и потом вернётся назад? Там Гравитация ещё сильнее.
– Там намного сильнее Гравитация. Ну давай сравним. Гравитация управляет полётом ракеты. Чтобы ракета стартовала с земли и надо сообщить вторую космическую скорость 11 км/секунду. А чтобы стартовать с поверхности Солнца 600 км/сек. Представляешь какая там Гравитация? В десятки раз сильнее. Так что если ты собираешься к Солнцу… Ну ты сгоришь прежде чем… Безусловно? Предположим мы создали негорючие часы, отправили туда. Они там намного медленнее будут идти, чем на поверхности Земли. И тем более над Землей.
Кстати говоря, именно по этой причине те атомные часы которые летают на спутниках навигации GPS глонас и прочее идут быстрее, чем наши и этот эффект учитывается. Когда на заводе делают атомные часы их подкручивают так, чтобы тут (на Земле) они шли чуть медленнее нужного. А когда мы их поднимем на спутники, они шли нормально, вровень с нашими наземными часами. То есть если бы не этот эффект Эйнштейна, то наш навигатор так не работал бы. Примерная оценка показывает, что ошибка была бы где-то 10-15 метров. Для путешествия в пространстве в принципе это не так много.
За горизонтом событий тайна.
– То есть получается, что если хочешь замедлить процессы и как бы прожить условно говоря дольше относительно своих собратьев надо жить на первом этаже? А что тогда вот там внутри чёрных дыр со временем происходит?
– Если мы будем приближаться к чёрной дыре, то достигнем некоторого уровня над ней. Обычно говорят, что это граница чёрной дыры. Называется она у физиков – Горизонт событий. Чем ближе к этому горизонту событий, тем медленнее будут идти часы для нас, для посторонних, для наблюдателей. Почему теория относительности? Потому что процессы, в течение времени относительны. Если мы издалека будем наблюдать, как часы падают к чёрной дыре, то на определённом расстоянии они вообще перестанут тикать. Более того они перестанут двигаться для нас, удалённых наблюдателей. А если ты вместе с этими часами летишь вниз, то ты пролетишь эту границу, пройдёшь сквозь горизонт событий и туда в центр попадёшь. Ну там уже кончится история твоя.
Скорость света постоянна.
Ну мне кстати повезло учиться в физическом классе. Я помню, что в седьмом-восьмом классе я для себя пытаясь разобраться в теории относительности условно назвал её “теорией одной постоянной”. Одной постоянной скорости света. То есть у нас есть скорость света и вот выше неё ничего не может быть. И она всегда постоянна, неизменна?
– Где бы ты её не измерял, как бы ты ни двигался. Если ты рядом с собой измеряешь скорость света – она будет одинаковая. Сидишь ты, летишь ты, или в гравитационном поле мощном – она всегда рядом с тобой, в локальной системе отчёта будет одна.
Всё остальное относительно скорости света?
– То есть в принципе можно её назвать – теория постоянства скорости света.
Кротовые норы - самый быстрый способ путешествия в пространстве.
Путешествие в пространстве через кротовые норы.
Тогда любой фантастический фильм берем и сталкиваемся с понятием кротовые норы. Там звучит постоянно кротовые норы червоточины и так далее. Что это такое? Как это теоретически возникает? И есть ли это вообще в практическом, так скажем, мире?
Мы не знаем. Есть ли это в практическом но в математическом есть. Ещё сам Эйнштейн и его молодой сотрудник Натан Розен почти сразу после создания Теории относительности нашли одно из решений, которое показывает, что геометрия пространства времени может иметь сложную топологию (сложную форму). Но в принципе можно представить себе проход с одной стороны плоского пространства к другой его стороне через порталы (червоточины). Формально это может быть. Wormhole, как их Англичане называют. Но дело вот в чём. Можно ли через них путешествовать?
Уже сам Эйнштейн и Розен показали, что если мы туда “вусним канал”, то наше там присутствие нарушит геометрию. Ну лишняя масса, лишняя Гравитация. И схлопнется это самая чёрна дыра. Она как ловушка будет вроде и был канал и он тут тут же закроется – это решение тоже очень понятное для математиков. Вот такое же неустойчивое решение для этих червоточин было в эпоху Эйнштейна. И он уже тогда фантазировал, я бы сказал, что если найдётся в природе не только Гравитация, но и антигравитация то она сможет антигравитационно червоточину как-то стабилизировать. Не дать ей схлопнутся. Она же будет расталкивать всё. Но Эйнштейн то не знал, что антигравитация нашлась.
Червоточины есть?
– Итак. Мы путешествуем во времени. Если пространство свернулось мы проткнули ручкой из одной точки пространства попали в совершенно иную точку пространства. А что с путешествиями во времени с помощью этих самых червоточин?
– Физики очень долго опирались на такое правило, что нельзя нарушить последовательность событий во времени. Какая – то логика запрещает нам это делать. Ну вот эффект там “убить своего дедушку”, всегда говорили. Если Путешественник во времени перенёсся в прошлое и убил своего дедушку, то как же он родился в будущем? Если не было вот этой последовательности дедушка – папа и сам путешественник. И это как-то останавливало математиков и физиков в исследовании. А нашлись люди, которые оставили в покое всю эту логику и сказали: “А может можно. Бог с ним, с дедушкой. Может природа как-то решит этот парадокс?” И нашли решение.
Кип Торн и машина времени.
Теоретически путешествие во времени возможно.
Это два самых крутых, я бы сказал специалиста по общей теории относительности. Кип Торн, которого знают большинство – Нобелевский лауреат за открытие гравитационных волн. И его коллега российский физик Игорь Дмитриевич Новиков. Ну Кип Торн работает у себя в Калифорнии. Игорь Дмитриевич – тут в Москве в институте физики на Ленинском проспекте. И они нашли решение, которое позволяет, с их точки зрения через червоточины зацикливая петлю времени возвращаться назад.
Путешествие во времени вперед это вообще тривиальная вещь. Мы с тобой сейчас сидим и каждую секунду на секунду вперёд переносимся. Это даже не путешествие. Да, не будем это называть. Можно быстро перенестись в будущее. Сев на ракету со сверхсветовой скоростью полетав и вернуться обратно. И ты своего близнеца увидишь глубоким стариком. И это абсолютно надёжно проверено на экспериментах. Никто Близнецов пока ещё не запускал с большой скоростью. Но Элементарные частицы мы гоняем в коллайдерах. Мы видим прилетающие из космоса. И видим как растягивается время. Как они не старятся по сравнению с “лежащими” тут, у нас, неподвижно элементарными частицами. Это надёжно.
А как путешествовать в прошлое?
В будущее да. Ты не нарушаешь никаких принципов причинности. В прошлое, казалось бы нельзя. Но математика говорит, что можно. И недавно Игорь Дмитриевич Новиков делал доклад на Большом семинаре у нас физическом. И ещё раз показал, что формально это возможно. Мы не будем убивать, я надеюсь, своих дедушек, бабушек и… и даже бабочек.
– Но всё это возможно теоретически. Возможно да. Подчеркнём только если общая теория относительности верна? Только тогда мы получаем машину времени?
– Давай заменим слово если на более мягкое слово. В тех рамках в которых теория относительности верна. Также точно мы думали про Ньютонову физику. Что это ну супер надёжная вещь. Паровозы, ракеты рассчитываем. Всё работает идеально. Потом начали сомневаться. Не всё. Меркурий движется как-то не очень по Ньютону. Свет в приборах не слишком сильно по Ньютону движется. И пришлось. Пришёл Эйнштейн – сказал братцы надо более тонкую теорию. И предложил её – Специальную общую теорию относительности. Теперь мы ждём момента, когда какой-то эксперимент покажет нам – а вот тут теория относительности что-то не совсем срабатывает. Этот момент конечно настанет. Мы не знаем когда, в каких условиях.
Пока мы добрались уже до очень сильных гравитационных полей.
Это сверхмассивные чёрные дыры. И их изображение в точности соответствует расчётам в рамках теории относительности. То есть можно быть уверенными, что до горизонта событий она работает. А вот внутри, когда мы провалився в чёрную дыру? Насколько можно надеяться на теорию относительности? Пока это непонятно.
– Но пока непонятно только это или всё-таки есть уже какие-то события во Вселенной кроме которые…?
– Нет нет. Мы конечно ждём таких событий. Но пока она описывает и быстрые движения и мощные гравитационные поля. Мы не знаем когда она споткнётся. Ну в конце концов Ньютоновская физика несколько столетий нормально работала. Да там с конца семнадцатого до конца IX. Ну два Столетия по крайней мере. Наверное где-то там лет через 150-200 может быть мы скажем: “Ну господин Эйнштейн. На полку давайте. Мы заменим вас более крутой физикой”. Подходы есть уже. Ты думаешь люди сидят и просто так ждут? Альтернативных теорий от гравитации много.
Космически радиотелескоп "Миллиметрон".
Они все строятся на том, что мы уже нашли какие-то в нашей видимой части Вселенной вещи которые не сопоставимы с теорией.
А мы не нашли пока. Пока нет, пока не нашли. Нормальных учёных мы имеем в виду. Надо хорошие приборы создавать. Чем более тонкий прибор, тем более тонкие эффекты он может выявить. Сейчас а в стадии строительства в Российской академии наук находится замечательный прибор космически радиотелескоп миллиметрон. Вот на него Надежда. Он сможет заглянуть уже глубже в чёрные дыры. Более тонкие эффекты почувствовать рядом с ними происходящие. Может быть он что-то заметит. Мы надеемся.
Когда изобретут машину времени и сверхзвуковой двигатель.
– И вот тогда начнётся уже изучение этого феномена. Или может быть парадокса, или нестыковки. Ну точно так же как было с с этим отклонение на Меркурии?
Да, да. Выбор новой теории. Теоретики уже сидят и ждут чья альтернатива заменит теорию Эйнштейна.
– Хорошо. Ну также ведутся безусловно работы Правда пока теоретическое изыскание и может быть. Ну я не слышал, чтобы серьёзные корпорации заявляли о том что вот мы сейчас разрабатываем машину времени и даже и сверхсветовое двигатель. А что теоретически может быть раньше что может раньше появиться у человечества? Всё-таки мы научимся путешествовать во времени или в пространстве?
Трудный вопрос. Слушай, трудный вопрос. Но я конечно не могу на это ответить. Два совершенно почти невозможных дела. Да. Не знаю, не знаю. Вот даже прогноз не могу сделать когда и что произойдёт раньше. Нам надо посоветоваться с Алексеем Семихатовым. Он более глубокий теоретик. Может быть он рискнёт дать такой прогноз, я не рискну.
А вы как считаете что появится раньше Машина времени или сверхсветовой двигатель?
Это было интервью российского астронома и популяризатора науки Сурдина Владимира Георгиевича.