Які небезпеки чекають на можливих мандрівників у часі

Наукова фантастика вчить нас, що будь-які спроби змінити хід історії "заднім числом" — тобто вирушити у минуле і якось вплинути на події, що вже відбулися, — зазвичай обертаються непередбаченою катастрофою.

Однак не треба забувати, що численні книги й фільми на цю тему — не більше ніж плід фантазії їхніх авторів, які не завжди мають необхідну профільну освіту.

Що про це каже сувора наука, насамперед — фізика?

Маючи можливість переміщатись в часі, персонажі багатьох фантастичних творів періодично роблять спроби змінити минуле — але в результаті щоразу потрапляють в біду.

Висновок видається очевидним: будь-яке втручання в події минулого загрожує непередбачуваними наслідками, а тому неймовірно небезпечне.

Найочевидніший спосіб зняти всі потенційні суперечності - це визнати, що будь-які подорожі у минуле неможливі. Адже, якщо вирушити назад у часі не можна, то й порушити природний хід історії не вийде.

Це пояснення видається природним з огляду на наше сприйняття часу: він завжди рухається тільки в одному напрямку. Понеділок переходить у вівторок, вівторок у середу — і так далі протягом усього нашого життя. Важко навіть уявити, що може бути інакше: наприклад, після вівторка знову настане понеділок.

Однак пояснити, чому відбувається саме так, не так вже й просто. Зрештою, у просторі ми можемо вільно переміщуватись у будь-якому напрямку. Рухатися вгору і вниз трохи складніше (ніж вперед чи назад, ліворуч чи праворуч), оскільки для цього необхідно долати земне тяжіння або вгризатися в ґрунт під ногами — і все ж таки це цілком можливо. А от у часі ми чомусь завжди рухаємось лише в один бік.

Пояснити це можна двома способами. Перший — простий і очевидний: такий фундаментальний устрій Всесвіту закладений у самій природі речей.

Протягом тисячоліть це інтуїтивно зрозуміле пояснення навіть не ставили під сумнів — поки в ХХ столітті під час експериментів не виявили закони квантової механіки, які пояснюють процеси, що відбуваються з матерією на рівні молекул, атомів і ще дрібніших частинок.

Виявилось, що у квантовому масштабі процеси можуть рухатись у будь-якому напрямку, каже викладач кафедри квантової фізики Оксфордського університету Влатко Ведрал.

"Якщо ми можемо перевести атом з одного стану в інший, то, згідно із законами квантової механіки, ми можемо так само і повернути його назад, — запевняє він. — І цей відновлений первісний стан не відрізнятиметься від вихідного абсолютно нічим. Тобто, фактично, ми повернемо його назад у часі".

Як би неймовірно це не звучало, правильність цього принципу щоразу підтверджують численні експерименти.

"А це означає, що в принципі, - принаймні в теорії, - абсолютно всі процеси мають бути оборотні", - робить висновок він.

При цьому, якщо чашка з кавою впаде на підлогу, вона, звісно, розіб'ється. І розбиті чашки чомусь самі назад з уламків ніколи не збираються.

Тому багато фізиків схиляються до іншого, альтернативного пояснення "вісі часу": вона не є фундаментальною властивістю Всесвіту, а лише випливає з інших природних явищ.

"Є формули, які можна розрахувати, не враховуючи концепт часу і простору, і все одно отримати правильну відповідь", - каже космолог Кеті Мак з Інституту теоретичної фізики "Периметр" у Ватерлоо, Онтаріо.

"Можливо, простір і час — емерджентні властивості. Можливо, вони навіть певною мірою ілюзорні, й існує певна математична основа Всесвіту, більш фундаментальна, ніж простір і час".

Одна з версій такого пояснення належить австрійському фізику Людвігу Больцману. Його цікавило, чому у звичному для нас макросвіті деякі процеси необоротні.

Речі можна впорядкувати тільки за допомогою енергії. "Щоб розплутати навушники, потрібно більше енергії, — каже астрофізик Емма Осборн з Йоркського університету у Великій Британії. — Водночас існує безліч способів їх заплутати".

Больцман пояснює це тим, що "самозбирання" кавових чашок або "саморозплутування" дроту навушників не є принципово неможливими. Просто ймовірність того, що це відбудеться мимоволі, під впливом випадкових зовнішніх факторів, настільки мала, що майже дорівнює нулю.

Отже, можна чекати хоч трильйон років — і все одно ніколи цього не дочекатися.

Хоча теоретично методів переміщення уламків розбитої чашки є дуже багато. Наприклад, уламки можуть рухатись під дією вітру або інших потоків повітря. Але складно уявити, що випадковий набір таких переміщень розставить фрагменти у потрібному порядку та відновить чашку у первісному вигляді. Радше він просто перемішає між собою уламки, замінивши один безлад іншим.

Вже кілька десятиліть це пояснення "вісі часу" залишається найпростішим і зрозумілішим, каже Ведрал. На практиці повернути назад більшість змін просто надто складно, і це дає нам відчуття того, що час рухається в одному напрямку.

Звучить правдоподібно, але це пояснення "вісі часу", звісно, не єдине, нагадує філософ Емілі Адлам з Університету Чепмена в Каліфорнії.

За словами Адлам, якщо Всесвіт взагалі піддається раціональному осмисленню, він має бути послідовним. Тобто зберігати якусь загальну внутрішню логіку причинно-наслідкових зв'язків.

Адже на рівні абстракції Всесвіт можна подати як якийсь (кінцевий чи нескінченний) набір частинок — тобто переносників інформації, кожна з яких здатна вступати у взаємодію з іншими частинками (носіями інформації). Згідно з універсальним законом збереження енергії (імпульсу), така взаємодія двох частинок не може не позначитись на поведінці обох.

"Хіба послідовний набір процесів може призвести до логічних розбіжностей?" — запитує вона.

"Відповідь така: у будь-якій закритій системі абсолютно будь-який набір не зациклених на собі процесів у підсумку призведе до логічних розбіжностей", — каже Адлам.

Повернення в минуле і спроба втручання в історію є класичним прикладом такої неможливої часової петлі.

"Для того, щоб уникнути логічних розбіжностей, потрібно, щоб процеси не зациклювалися, — каже Адлам. — Якщо вони пов'язані послідовно, то не буде причинно-наслідкової петлі".

Вимога не допускати таких петель і накладає обмеження на перебіг часу, пояснює Адлам: "Тому, оскільки процеси не можуть зациклюватись самі на собі, ми отримуємо лінійну вісь часу".

Іншими словами, рухатись тільки в одному напрямку час може лише за дотримання двох умов: збереження логічної послідовності, про яку говорила Адлам, і загальної властивості випадкових процесів збільшувати, а не зменшувати ентропію (хаотичний безлад), про що говорив Больцман.

Розберімо два види феноменів подорожі в часі.

По-перше, це феномен замкнутого кола (bootstrap paradox). Він виникає, "коли щось з'являється з нізвідки або існує одночасно у двох тимчасових версіях", каже Шошані.

Припустимо, пояснює він, що зараз у вашій кімнаті з'являється машина часу. "З неї виходить стара версія вас, каже, що перебуває в майбутньому на 10 років уперед, і дає вам креслення машини часу. Наступне десятиліття ви проводите, конструюючи цю машину, а потім використовуєте її, щоб повернутися у сьогоднішній день і передати собі креслення, — пояснює Шошані. — Тоді запитання: звідки креслення машини часу взялися від самого початку?".

Парадокс замкнутого кола — цікава ідея, бо вона не створює жодних невідповідностей: уся історія добре ув'язується. Просто якимось чином звідкись з'явилась нова інформація — креслення машини часу.

На щастя, є відносно простий вихід з цього феномена. "Можливо, це просто моя вигадка, — каже Шошані. — Немає жодних причин, щоб це сталося насправді".

Якби ви дійсно могли подорожувати в минуле, було б практично неможливо не змінити там взагалі нічого.

"Найбільш тривожним парадоксом є парадокс послідовності", — продовжує Шошані. Він відомий як "парадокс дідуся". Це знайома проблема, коли ви повертаєтесь у минуле та змінюєте ключову подію у своїй особистій історії. Наприклад, ви вбиваєте свого діда, коли він був ще дитиною. Це унеможливлює ваше народження, тому нікому повернутися в минуле і вбити вашого діда, що й створює парадокс.

На відміну від феномена замкнутого кола, феномен дідуся здається неминучим. Якби ви дійсно могли вирушити в минуле, було б практично неможливо нічого там не змінити. Навіть якщо у вас вистачить здорового глузду не вбивати своїх предків, це не матиме значення, тому що навіть невеликі зміни можуть призвести до серйозних потрясінь.

Як ми можемо цього уникнути?

Найпростіше пояснення полягає в тому, що подорожі в минуле просто неможливі. Це "припущення про захист хронології" описав Стівен Гокінг у своїй роботі 1992 року. Шошані підсумовує: "Нам не потрібно турбуватися про парадокси, тому що подорожі в часі неможливі, і крапка".

Проблема тут у тому, що, хоча подорож у часі в минуле виглядає вкрай малоймовірною і складною, наше неповне розуміння фізики означає, що ми не можемо повністю відкинути її.

"Намагаючись запобігти зустрічі бабусі й дідуся, ви зрештою стаєте тим, хто змусив їх зустрітися", — каже Шошані.

Незрозуміло, як це працюватиме на практиці. Як Всесвіт "дізнається", що хтось втручається в історію?

"Ця гіпотеза завжди здавалась мені дивною і необґрунтованою", — каже Шошані. Він описав сценарії, в яких об'єкти переміщуються в машинах часу і виходять з них, і які неможливо описати математично несуперечливим способом, що порушує гіпотезу. "Ця гіпотеза просто не може бути правильною".

Шошані надає перевагу альтернативному сценарію. Якщо подорож у часі в минуле можлива, стверджує він, то й змінити її теж можна — але це призведе до створення альтернативної часової лінії. Замість того, щоб створити парадокс, що руйнує всесвіт, ви створите другий всесвіт з іншою історією.

Насправді паралельні всесвіти — дуже спірна концепція. Хоча деякі фізичні теорії можна тлумачити як такі, що вказують на їх існування, поки що немає жодних фізичних доказів цього.

Квантова механіка пропонує один з варіантів існування паралельних всесвітів. Крихітна субатомна частинка може існувати в стані, який називають суперпозицією.

Це означає, що вона не перебуває в одному конкретному місці. Натомість вона існує у низці просторів, кожен з яких може бути "правильним". Тільки коли експериментатор спостерігає за частинкою, її стан стає визначеним: вона "сплескується" з низки можливих положень в одне.

Квантові фізики розходяться в думках щодо інтерпретації колапсу. Одна з інтерпретацій, висунута Г'ю Евереттом наприкінці 1950-х років, полягає в тому, що частинка насправді не "обирає" одне єдине положення. Натомість усі можливі варіанти розігруються у різних всесвітах. Де б ми не спостерігали за частинкою, вона є в нашому Всесвіті, але в інших всесвітах вона перебуває в іншому місці. Такий підхід назвали "інтерпретацією багатьох світів" квантової механіки.

Фізичних доказів існування цих інших всесвітів немає, і важко уявити, що могло б бути доказом. Однак інші інтерпретації квантової механіки мають свої проблеми, тому інтерпретація безлічі світів, як і раніше, становить інтерес.

Якщо вона правильна, то дає можливість подорожувати минулим і змінювати ситуацію, не викликаючи парадоксів. Одним з перших фізиків, які запропонували таку можливість, був Девід Дойч у дослідженні 1991 року. Він стверджував: якщо ви вирушите в минуле і зміните щось, то створите другий всесвіт, паралельний початковому. У цій другій часовій шкалі розігруватиметься змінена версія історії, тоді як в оригіналі все відбуватиметься так, як завжди.

З цієї точки зору, ви можете подорожувати минулим, але "ви не можете повернутися назад на свою власну лінію світу", каже Осборн.

Шошані та його колеги розвинули цю ідею далі. У дослідженні, опублікованому у 2020 році, вони показали, що така версія подорожі в часі не обов'язково призводить до нескінченної кількості тимчасових ліній. Нескінченність зазвичай є ознакою того, що теорія хибна, каже Шошані, тож ця версія більш вірогідна. У лютому цього року вони опублікували більш реалістичну версію цієї моделі, яка знову уникла парадоксів і нескінченності, а наступного місяця вони вивчили сценарій більш детально, показавши, що відгалуження в часовій шкалі починається локально і поступово розширюється, торкаючись все більшої частини Всесвіту.

Виявляється, існує безліч можливих сценаріїв, які могли б статися, якби ми якимось чином вирушили в минуле.

На цей час не існує способу провести експеримент, щоб визначити, який з цих сценаріїв подорожі в часі правильний, якщо такий взагалі існує. Щоб знайти правильну відповідь, необхідно зрозуміти, як і чому "вісь часу" дійсно існує.

Доки ми не прояснимо закони, що лежать в основі Всесвіту, ми не зможемо зробити вибір між нашими ідеями про подорожі в часі.