Пенсионный советник
Лекция по физики

«Нечто вроде машины времени уже создано»

Физик Артем Юров о теории машины времени, ее созданном прототипе, кротовых норах и квантовой телепортации

Лектор: 30.07.2012, 11:12
Сет Ллойд pbs.org
Сет Ллойд

О теории машины времени и ее уже созданном прототипе, о кротовых норах и квантовой телепортации в своей лекции на «Газете.Ru» рассказывает Артем Юров, заведующий кафедрой теоретической физики Балтийского федерального университета им. Иммануила Канта (Калининград).

Кротовые норы

Обычно машины времени связываются с так называемыми кротовыми норами, которые (как предполагают некоторые физики) могут существовать во Вселенной. Расскажем подробнее, что это такое.

Сто лет назад было железно доказано, что мы живём в искривлённом пространстве. Согласно теории относительности, в таком пространстве могут образовываться туннели, которые напрямую соединяют удалённые друг от друга точки. Причем если мы нырнем в такую кротовую нору на Земле, вынырнем на Луне, а затем на обычном космическом корабле вернемся на Землю, то мы вернемся ДО нашего вылета! Правда это произойдет при условии, что выход в кротовую нору движется ускоренно относительно входа во внешнем пространстве, причём вращаться он должен не меньше определённого времени, но это уже детали.

Решения такие были известны, но исследования физиков-теоретиков показали, что кротовины крайне неустойчивы.

Если в этот тоннель влетит хотя бы один фотон, то кротовина моментально разрушится. А что будет, если туда попытается забраться человек-путешественник, страшно и подумать. Но хитроумные теоретики придумали, как стабилизировать кротовые норы. Для этого нужно заполнить туннель неким экзотическим «веществом» с отрицательным давлением (это может быть так называемый казимировский вакуум – «пустота» между двумя незаряженными, близко расположенными металлическими пластинками, приводящая к эффекту Казимира – слабому притяжению этих пластинок). А ещё интереснее то, что на роль такого стабилизатора кротовин может подойти загадочная тёмная энергия, которую обнаружили в 1998 году (тёмную энергию с такими свойствами называют фантомом) и которая составляет свыше 70% процентов всего, что есть в космосе: для примера, звёзды, планеты и всё остальное — это лишь 4% от общего вселенского бюджета.

Тем не менее оставалась проблема: чтобы стабилизировать кротовину, пригодную для перемещения человека, туда надо вкачать этой «энергии» умопомрачительное количество. Все знают формулу E=mc2. Используя её, можно измерять энергию в джоулях (как это делают в школе), а можно и в килограммах.

Для того чтобы диаметр кротовой норы допускал прохождение человека, необходимо туда запихать 1050 килограммов этого вещества — это гораздо больше, чем получится, если сжечь Землю и Солнце, вместе взятые.

Автор этой лекции с испанскими коллегами математическим путём доказали, что возможны такие модели, в которых для стабилизации кротовых нор не потребуется столь колоссального количества вещества (соответствующая работа опубликована в журнале Nuclear Physics B). Но верны ли эти модели — вопрос. И даже если верны, то мы пока всё равно точно не умеем вычислять, сколько энергии потребуется. Но, при любом раскладе, не такие чудовищные числа.

И вот, пока все спорили о норах, совершенно неожиданно выяснилось, что нечто вроде машины времени можно сделать в области, связанной с квантовой информатикой. И даже удалось создать экспериментальную установку, которая устроена гораздо хитрее, чем обычно себе представляют машину времени.

Убить дедушку не получится

Я начну с разумных возражений против самой машины времени. Представьте, путешествовать во времени стало возможным. Но это влечет за собой парадоксы, на первый взгляд неразрешимые. Прежде всего мы сталкиваемся с «парадоксом дедушки». Например, вы отправляетесь в прошлое и убиваете, пардон, своего дедушку до того, как он встретился с бабушкой. Что будет? Вот вы случайно убили дедушку и вдруг понимаете, что это ваш дед. Что будет с вами? Вы уже не родитесь. Но вы же уже есть, стоите с еще дымящимся пистолетом! Значит, вы сразу разлетитесь на атомы? Но если вас не стало, значит вы дедушку и не убивали. А если не убивали, значит не разлетитесь на атомы — а значит, вы есть, а значит, убивали, а значит, разлетитесь на атомы, а значит, вас не будет… Видите, что получается? Замкнутый круг, содержащий в себе неустранимое логическое противоречие.

Берем другое противоречие. Я лечу в прошлое и дарю Пушкину «Евгения Онегина», им еще не написанного, говоря ему, что это его книга. Он мне в ответ: «Я ее не писал». Да как, возражаю, не писал, вот фамилия. Вопрос — кто книгу написал?

Таким образом, сам факт существования машины времени приводит к такому клубку противоречий, что возникает естественное желание заключить: машины времени быть не может.

И это совпадает с моим желанием тоже, но следует понимать, что желание желанием, а наука наукой. Мало чего-то желать — надо строго доказать, что машина времени не может существовать. Разговоры типа «этого не может быть, потому что получается такая оказия…» не считаются.

И вот неожиданный кульбит: ученые, занимающиеся совсем другой областью физики, квантовой механикой и информатикой, пришли к выводу, что машина времени не приводит к парадоксам.

Если вы отправитесь в прошлое, вы не сможете убить дедушку. Потому что у вас не получится.

Заранее не скажешь почему, но обязательно найдется причина, которая не даст вам это сделать. Это будет неизменно физическая причина, которая не позволит вам изменить мир. Скажем, во время выстрела вы поскользнетесь.

«Безумие» квантовой механики

Кстати, физики предполагали нечто в этом роде и до того — скажем, Сергей Красников, Игорь Новиков, Кип Торн. Однако работа, о которой я говорю, совсем другого характера: она существенно опирается на квантовую теорию и, кроме того, экспериментальная. Кстати, машина времени поражает воображение только тех, кто не знаком с квантовой механикой. Ничего более безумного, чем квантовая механика, я в жизни не встречал. Природа в очень маленьких масштабах живет по законам, которые иначе как «научным сюрреализмом» не назовешь. Квантовая механика — это музыка Питера Хэммилла совместно с видеорядом Дэвида Линча, выраженные на языке уравнений. К примеру, летит фотон — впереди стена с двумя отверстиями. Так вот, один фотон может пройти сквозь стену одновременно через обе эти дырочки. Сразу! При этом он не делится на две половинки. Но это еще не все. А если сто дырок?

Он может одновременно пройти и через сто дырок. Не делясь! Через каждую щель проходит один целый фотон.

Но продолжу свою лекцию, а для этого мне придется объяснить еще два понятия — «перепутанные состояния» и «квантовая телепортация». Начну с перепутанных состояний.

Есть в физике так называемый парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена. Он заключается в том, что есть частицы, вылетающие из одного источника и разлетающиеся на миллиарды километров, но все равно «чувствующие» друг друга. И если я сделаю что-нибудь с одной частицей, то вторая сразу отреагирует, сразу «узнает» об изменении первой частицы.

Узнает мгновенно! Быстрее скорости света.

Про такие частицы физики говорят: «Они находятся в перепутанном состоянии». Это было проверено экспериментально и стало уже классикой в квантовой физике. Дело в том, что у каждой отдельной частицы нет своего состояния, если они «перепутаны». Состояние есть только у пары частиц. Только две эти частицы образуют одно состояние. На этом поразительном (и, наверное, совершенно непонятном для нефизиков) явлении основан фокус с квантовой телепортацией. Суть её вот в чём. Вообразите два фотона в перепутанном состоянии: один летит к Алисе в Европу, а второй к Бобу в Австралию (Алиса и Боб — условные имена, соответствующие в российской символике A и B). Кроме того, у Алисы есть свой (третий) фотон, находящийся в своём состоянии и Алиса хочет подарить его Бобу, не отправляя. Для этого она должна поймать один из перепутанных фотонов и немного поколдовать, пропуская его через разные кристаллики.

В общем, в результате получится удивительная вещь: в итоге второй перепутанный фотон, долетевший до Боба, вдруг превратится в фотон-подарок, уже в Австралии.

Американский ученый Сет Ллойд сотоварищи решили показать, что в мире, в котором действует квантовая механика, путешествия во времени — если их кто-то реализует — не приведут к появлению противоречий и парадоксов. Для этого они использовали перепутанные состояния и квантовую телепортацию. В частности, они показали, что возможна такая ситуация, когда фотон дошел до Боба без манипуляций с кристаллами. Но тогда это означает, что фотон у Боба появился ДО того, как Алиса что-то с ним сделала. То есть оказался фотон в прошлом. Здесь важно понять, что фотон у Боба оказался именно потому, что Алиса с ним скоро что-то сделает в будущем. И вот оказалось, что, вне зависимости от того, что Алиса сделает в будущем, парадокса не возникает. Реализуется именно такая ситуация, о которой мы говорили до того, — создать парадокс не получается.

Поэтому можно предположить, что в реальной машине времени (если её кто-то сделает) будет работать именно такая физика: вы попытаетесь выстрелить в дедушку, но что-то непременно вам помешает — или пуля плохая будет, или рука дрогнет…

Данная работа опубликована год назад в Physical Review Letters. Я лично думаю, что такие закономерности, о которых говорит Ллойд, могут помешать не только убить собственного дедушку, но и вообще создать машину времени. Но даже если машина времени будет создана, то на ней не слетаешь к динозаврам и даже в своем детстве не побываешь. Допустим, человечество создаст машину времени 1 января 2020 года. Так вот, на следующий день путешествовать в прошлое можно будет только во вчера. Вернуться в 31 декабря — «снова сходить с друзьями в баню» — уже не получится, поскольку в тот день машины времени ещё не было. То есть попасть можно будет только в то время, с которого машина времени существует. Существует даже весёлая гипотеза, что, как только мы создадим машину времени, из неё сразу же вылезут наши потомки и скажут: «Ну привет, наконец-то вы сделали машину, а то все не могли попасть к вам…»

Подготовил Андрей Выползов (Калининград)