Гравитацията може да предпазва Вселената от парадоксите на пътуването във времето. Но има уловка

Може ли самата Вселена да ни попречи да се върнем в миналото и да променим историята? Според ново изследване отговорът може да се крие в гравитацията. Физици разработиха математически модел, който би могъл да предотврати прочутите парадокси на пътуването във времето. Решението обаче има сериозен недостатък: при определени условия дори най-малките смущения в пространство-времето могат да нараснат лавинообразно.

За да разберем проблема, нека си представим добре познатия „парадокс на дядото“.

Ако някога успеете да се върнете назад във времето, има едно правило, което непременно трябва да спазвате: не убивайте собствения си дядо, преди да е успял да има деца.

Защото, ако той умре, преди да създаде поколение, вие никога няма да се родите. А щом не сте се родили, няма как да се върнете в миналото и да го убиете.

Получава се противоречие, което сякаш нарушава самата логика на Вселената.

Как природата би разрешила подобен парадокс, никой не знае със сигурност. Възможно е обаче физичните закони изобщо да не позволяват възникването му. Поне така смяташе Стивън Хокинг.

Сега физици са открили математически начин да предотвратят подобна ситуация. Има обаче една уловка: техният модел допуска нестабилност, при която дори незначителни смущения в пространство-времето могат да нарастват експоненциално.

Чудесно, нали?

Защо пътуването в миналото може да е невъзможно?

През 1992 г. Стивън Хокинг предлага своята хипотеза за защита на хронологията (chronology protection conjecture). С нея той се опитва да отговори на един фундаментален въпрос: възможно ли е изобщо да се пътува назад във времето?

Според хипотезата „законите на физиката не допускат появата на затворени времеподобни криви“.

С други думи, Хокинг предполага, че природата разполага с механизъм, който не позволява да възникват ситуации, нарушаващи причинно-следствените връзки.

Изчисленията му подкрепят тази идея, но досега физиците не са успели да докажат, че Вселената действително притежава подобна защита.

Проблемът е, че Общата теория на относителността на Айнщайн, която остава най-точното ни описание на гравитацията, допуска някои доста необичайни конфигурации на пространство-времето.

Сред тях са т.нар. затворени времеподобни криви – траектории през пространство-времето, които поне на теория биха позволили на пътешественик да се върне в собственото си минало.

Дали такива траектории действително могат да съществуват във Вселената, е съвсем друг въпрос.

Хокинг подозира, че квантовите ефекти биха могли да възпрепятстват появата им. Досега обаче никой не е успял да установи категорично какъв точно би бил този механизъм.

Въпросът е част от много по-голямата загадка за природата на времето. Както показва и друго изследване, посветено на разликата между миналото и бъдещето, физиците все още се опитват да разберат защо възприемаме времето като нещо, което се движи само в една посока.

Може ли самата гравитация да ни предпазва от времевите парадокси?

Физиците Мустафа Исмаил и Дейвид Матингли от Университета на Ню Хампшър решават да потърсят отговора в самата гравитация.

Логиката им е следната: ако уравненията, описващи гравитацията, допускат съществуването на времеви примки, може би друга формулировка на гравитационната теория би могла да ги изключи.

За да разберем идеята им, трябва да уточним нещо важно.

Макар Общата теория на относителността да е най-успешната теория за гравитацията, с която разполагаме, тя не е единственият възможен начин да я опишем.

В теорията на Айнщайн геометрията на пространство-времето се описва чрез математическа величина, наречена метрика. Тя определя разстоянията и времевите интервали.

Използва се и друга математическа структура, известна като афинна свързаност, която описва как се променят направленията при движение през пространство-времето.

В Общата теория на относителността двете са свързани по строго определен начин.

Съществува обаче алтернативен подход, наречен метрично-афинна теория на гравитацията, който позволява метриката и афинната свързаност да бъдат разглеждани като по-независими една от друга.

Именно това дава на Исмаил и Матингли възможност да потърсят различно решение.

Подобни алтернативни подходи са особено интересни, тъй като съвременните наблюдения продължават да потвърждават предсказанията на Айнщайн за гравитацията, но това не означава, че разбираме напълно всички нейни свойства.

MAGIC – моделът, който може да направи връщането в миналото невъзможно

Двамата учени използват метрично-афинната теория на гравитацията, за да създадат модел, при който самото пространство-време може да има вградена посока на времето.

При подходящи условия времето би се движило единствено напред по всяка възможна траектория, по която би могъл да премине даден пътешественик.

Така той никога не би могъл да се върне в собственото си минало.

Изследователите наричат модела си Metric-Affine Gravity Imposing Chronology, или накратко MAGIC.

Да, точно така. MAGIC – „магия“ на английски.

Дотук всичко звучи прекрасно.

Само че има проблем.

Когато решението създава нов проблем

Според Общата теория на относителността гравитацията може да се проявява чрез два вида вълнови колебания. Те съответстват на двата начина, по които гравитационните вълни разтягат и свиват пространството.

Моделът MAGIC обаче допуска и трети вид колебания, известни като скаларна мода.

И точно тук нещата се усложняват.

При изследваните от учените космологични условия скаларната мода проявява явление, наречено градиентна нестабилност.

Вместо смущенията да се разпространяват като устойчиви вълни, те могат да нарастват експоненциално. При това колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-бързо се усилват.

Това означава, че в сегашния си вид MAGIC не може да предложи устойчиво описание на Вселената.

Именно тази нестабилност е най-сериозната пречка моделът да се превърне в пълноценна теория на гравитацията.

Но не е единствената.

Защитата от времеви парадокси все още не е гарантирана

Първият допълнителен проблем е, че MAGIC установява условията за защита на хронологията само локално, тоест в определени области на пространство-времето.

За да гарантират, че никъде във Вселената не могат да се появят времеви примки, учените трябва да направят допълнително предположение за цялостната структура на пространство-времето.

Те обаче все още не са доказали, че това предположение произтича от самия модел.

С други думи, физиците могат да зададат условия, при които MAGIC предотвратява връщането в миналото, но не са показали, че тази защита е неизменно свойство на теорията.

Вторият проблем е свързан с метриката.

MAGIC е създаден така, че да предотвратява определени нарушения в нейното математическо описание, които биха направили невъзможно правилното описание на пространство-времето.

Оказва се обаче, че тази защита не действа при всички обстоятелства.

Това не означава непременно, че подобни нарушения действително възникват. Учените не са установили такива случаи, но не са успели и да изключат възможността за тях.

Така се получава любопитна ситуация: моделът е създаден, за да предотвратява определени проблеми, но все още не е ясно дали винаги успява да го направи.

Защо изследването все пак е важно?

Въпреки всички тези ограничения резултатите не са повод за разочарование.

MAGIC не е замислен като окончателно решение на проблема с пътуването във времето. Той показва, че поне математически е възможно защитата на хронологията да бъде заложена в самата теория на гравитацията.

Това е обещаваща посока за бъдещи изследвания, макар засега моделът да не представлява завършено и устойчиво решение.

Благодарение на постигнатото Исмаил и Матингли вече имат по-ясна представа какви трябва да бъдат следващите им стъпки.

„Стабилизирането на скаларната мода, без да се губи времеподобната затворена проективна мода, е естествената следваща стъпка към разработването на феноменологично завършена теория“, пишат двамата физици.

Засега въпросът дали времето е фундаментално свойство на реалността остава отворен. Някои физици и философи дори разглеждат възможността времето да не съществува като самостоятелна фундаментална величина, а да е резултат от по-дълбоки физични процеси.

Но що се отнася до парадокса на дядото, поне засега няма причина за тревога.

Кажете на дядо си да бъде спокоен. Може би физиците все пак ще намерят начин да го предпазят от бъдещите му внуци, които решат да се върнат в миналото и да нарушат всички правила.

Изследването е публикувано в научното списание Physical Review D.