Мичио Каку
Паралелни светове (7)

5
Портали към други измерения и пътуване във времето

„Може би във всяка свиваща се черна дупка се крие зърното на нова разширяваща се вселена.“

Сър Мартин Рийс

„Черните дупки могат да са проходи към другаде. Някои смятат, че ако се спуснем в черна дупка, може би ще се появим на друго място във вселената и в друга епоха… Може би черните дупки са входове към Страни на чудесата. Но дали те имат своите Алиси или бели зайци?“

Карл Сейгън

Общата теория на относителността е като троянски кон. На пръв поглед тя е великолепна. Благодарение на нея човек лесно може да се докосне до общите характеристики на космоса, в това число изкривяването на светлинния лъч и самия Голям взрив, както и да ги измери с астрономическа точност. Тя може да интегрира в себе си дори инфлационната теория, ако въведем в ранната вселена космологичната константа. Тези решения ни дават най-завладяващата теория за раждането и смъртта на вселената.

Във вътрешността на коня обаче се спотайват какви ли не демони и зли духове — черни дупки, бели дупки, дупки-червеи и дори машини на времето, които здравият разум не може да възприеме. Тези аномалии се смятат за толкова безумни, че дори самият Айнщайн е бил убеден, че не могат да съществуват в природата. В продължение на години той се борел упорито срещу странните решения. Днес обаче знаем, че подобни аномалии не могат да се подминат с лека ръка. Те са неразривна част от общата теория на относителността и всъщност могат дори да бъдат средство за спасение за всяко разумно същество, изправено пред заплахата на Големия студ.

Може би най-странната от тези аномалии е възможността да съществуват паралелни вселени и портали между тях. Ако си припомним метафората на Шекспир за света като сцена, то общата теория на относителността позволява съществуването на врати-трапове. Но ще открием, че вместо към мазето те водят към паралелни сцени, подобни на първоначалната. Представете си, че сцената на живота се състои от множество сцени, разположени една над друга. На всяка от тях актьорите казват своите реплики и се разхождат напред-назад уверени, че тяхната е единствената, в пълно неведение за съществуването на алтернативните реалности. И ако някой ден случайно паднат през някоя от вратите на пода, ще се озоват на съвсем друга сцена с нови закони, нови правила и нов сценарий.

Но ако съществуват безброй вселени, възможно ли е на някоя от тях, подчиняваща се на различни физически закони, да съществува живот? Точно този въпрос си задава Айзък Азимов в класическия научнофантастичен роман „Самите богове“, в който създава паралелна вселена, в която ядрената сила е различна от нашата. С премахването на обичайните закони на физиката и въвеждането на нови се появяват цял куп завладяващи възможности.

Разказът започва през 2070 г., когато ученият Фредерик Халъм забелязва, че обикновеният волфрам-186 по някакъв начин се е преобразувал в мистериозния плутоний-186, който има прекалено много протони и би трябвало да е нестабилен. Халъм предполага, че този странен елемент се е появил от паралелна вселена, в която ядрената сила е много по-голяма и превъзмогва отблъскването между протоните. Странният плутоний-186 отделя невъобразими количества енергия във формата на електрони, която може да бъде овладяна. Така се стига до създаването на прочутата електронна помпа на Халъм, която слага край на енергийната криза на Земята и прави създателя си богат. Всичко обаче си има своята цена. Ако в нашата вселена проникне достатъчно количество плутоний-186, ядрената сила като цяло ще се повиши. Това означава, че при термоядрените процеси ще се отделя повече енергия, Слънцето ще засвети по-ярко и в крайна сметка ще експлодира, помитайки цялата Слънчева система!

Междувременно обитателите на паралелната вселена гледат на всичко това по различен начин. Тяхната вселена загива. Ядрената сила е прекалено голяма, звездите консумират водородното си гориво с огромна скорост и скоро ще умрат. Те уреждат размяната, при която безполезният плутоний-186 пристига в нашата вселена в замяна на ценния волфрам-186, който им позволява да създадат позитронна помпа, способна да спаси техния свят. Макар и да разбират, че с това ще повишат ядрената сила в нашата вселена и звездите в нея ще експлодират, това не ги вълнува.

По всичко личи, че над Земята е надвиснала катастрофа. Човечеството е станало зависимо от свободната енергия на Халъм и отказва да приеме, че Слънцето скоро ще експлодира. Появява се друг учен с гениално решение на заплетената ситуация. Той е убеден в съществуването на паралелни вселени и успешно модифицира мощен ускорител на частици, с който създава дупка в пространството, свързваща нашата вселена с безброй други. Започва да търси сред тях и най-сетне открива една паралелна вселена, която е напълно пуста с изключение на „космическо яйце“, съдържащо безкрайно количество енергия, но с по-слаба ядрена сила.

Източвайки енергия от това яйце, ученият може да създаде нова енергийна помпа и същевременно да отслаби ядрената сила в нашата вселена, като по този начин ще попречи на Слънцето да експлодира. Но това също има своята цена — ядрената сила в паралелната вселена ще се увеличи, което ще доведе до нейното експлодиране. Ученият обаче решава, че експлозията просто ще накара космическото яйце да се „излюпи“, създавайки нов голям взрив. Така в крайна сметка той ще се окаже акушер на нова разширяваща се вселена.

Романът на Азимов е един от малкото, които използват законите на ядрената физика, за да развият история за алчност, интриги и спасение. Азимов е прав в предположението си, че промяната на стойностите на фундаменталните сили в нашата вселена ще има катастрофални последици, че звездите ще засветят по-ярко и накрая ще експлодират, ако ядрената сила се увеличи. Това поражда неизбежния въпрос — съвместими ли са паралелните вселени със законите на физиката? И ако е така, какво е необходимо, за да се достигне до такава вселена?

За да разберем тези въпроси, първо трябва да разберем природата на дупките-червеи, отрицателната енергия и, разбира се, онези мистични обекти, носещи названието „черни дупки“.

Черни дупки

През 1783 г. английският астроном Джон Мичъл пръв си задал въпроса какво ще се случи, ако някоя звезда стане толкова голяма, че дори светлината да не бъде в състояние да я напусне. Той знаел, че всяко тяло има „скорост на напускане“ — скоростта, необходима за преодоляването на гравитационното привличане. (Например за Земята тя е 40 000 км/ч — скоростта, която трябва да развие всяка ракета, за да преодолее земното притегляне.)

Мичъл се запитал какво ще стане, ако някоя звезда стане толкова масивна, че скоростта на напускане стане равна на скоростта на светлината. Гравитацията й ще бъде толкова огромна, че нищо, дори самата светлина, не би могла да се освободи от нея. Следователно за външния наблюдател обектът ще изглежда черен. Откриването на такова тяло в космоса ще бъде в известен смисъл невъзможно, тъй като то би трябвало да е невидимо.

„Тъмните звезди“ на Мичъл били забравени за около век и половина. Въпросът обаче отново се появил през 1916 г., когато немският физик Карл Шварцшилд, докато участвал във войната на руския фронт, успял да открие точно решение на уравненията на Айнщайн за масивните звезди. Дори до наши дни това решение си остава най-простото и най-елегантното от всички предложени. Айнщайн бил поразен от факта, че Шварцшилд бил в състояние да намери частно решение на сложните му тензорни уравнения, докато се мъчел да се спаси от вражеските снаряди. Не по-малко било изумлението му, че решението имало странни последици.

Погледнато отстрани, решението на Шварцшилд може да представя гравитацията на всяка обикновена звезда. Айнщайн бързо го използвал, за да изчисли гравитацията на Слънцето и сравнил резултата с по-ранните си изчисления, които били само приблизителни. Айнщайн останал завинаги благодарен на Шварцшилд за решенията. Но във втората му статия се посочвало, че около много масивна звезда ще има въображаема „магическа сфера“ с изключително странни свойства. Това било точката, от която връщане назад няма. Всеки, преминал границите на „магическата сфера“, ще бъде моментално всмукан в звездата и ще изчезне завинаги. Дори светлината не е в състояние да напусне сферата, ако попадне в нея. Шварцшилд не подозирал, че чрез уравненията на Айнщайн всъщност преоткрива тъмната звезда на Мичъл.

Следващата му задача била да изчисли радиуса на сферата (известен като радиус на Шварцшилд). За тяло с размерите на нашето Слънце, той е около 3 км. (За Земята радиусът на Шварцшилд е около 1 см.) Това означава, че ако Слънцето се свие до 3 км, то ще се превърне в тъмна звезда и ще поглъща всеки обект, преминал критичната граница.

От експериментална гледна точка съществуването на магическата сфера не представлявала проблем, тъй като било е невъзможно Слънцето да бъде свито до подобни размери. Не е бил известен никакъв механизъм, способен да създаде подобна фантастична звезда. Но от теоретична гледна точка решението представлявало същинска катастрофа. Макар че общата теория на относителността би могла да даде блестящи резултати като отклоняването на звездната светлина около Слънцето, самата тя губи смисъла си, когато доближите самата магическа сфера, в която гравитацията е безкрайна.

По-късно холандският физик Йоханес Дросте излязъл с още по-налудничаво решение. Той доказал, че според теорията на относителността светлинните лъчи ще се отклонят извънредно много, докато преминават покрай подобно масивно тяло. Всъщност на разстояние 1,5 мерни единици от радиуса на Шварцшилд светлината ще влезе в орбита около звездата. Дросте показал, че според общата теория на относителността отклоненията във времето около масивните звезди са много по-големи от онези, които са предвидени в специалната теория. Според него, докато приближавате магическата сфера, за страничния наблюдател ще изглежда, че часовникът ви започва да отчита времето все по-бавно и по-бавно, докато не спре напълно в момента, когато достигнете границата й. На практика, отстрани ще изглежда, че сте замръзнали във времето. Тъй като в този момент спира самото време, според някои физици подобен странен обект изобщо не може да съществува. За да станат нещата още по-интересни, математикът Херман Вейл показа, че ако някой реши да изследва какво има вътре в сферата, може да открие цяла нова вселена от другата й страна.

Всичко това било толкова фантастично, че дори Айнщайн не можел да го приеме. По време на една конференция в Париж през 1922 г. математикът Жак Адамар запитал какво би станало, ако тази „сингулярност“ наистина съществува, т.е., какво ще стане, ако гравитацията стане безкрайна при радиуса на Шварцшилд. „Това ще бъде истинска катастрофа за теорията — отвърнал Айнщайн. — И е много трудно да се каже a priori какво ще стане във физически смисъл, защото формулите там са неприложими.“^[1] По-късно Айнщайн щял да нарече това „катастрофа на Адамар“, но смятал, че всички тези противоречия около тъмните звезди са чиста спекулация. Първо, никой никога не е виждал толкова чудати обекти и може би те не съществуват — т.е., те не са физически. Освен това, ако попаднете на такова тяло, ще бъдете смазани. И тъй като никой не е в състояние да премине през магическата сфера (тъй като времето е спряло), никой не би могъл да попадне в тази паралелна вселена.

През 20-те години темата не давала покой на физиците. А през 1932 г. бащата на теорията за Големия взрив Жорж Льометр направил важно откритие. Той доказал, че магическата сфера изобщо не представлява сингулярност, в която гравитацията е безкрайна, а само математическа илюзия, създадена вследствие избирането на неподходящ математически модел. (Ако при анализирането на магическата сфера се използва друга система от координати или променливи, сингулярността ще изчезне.)

Тръгвайки от тази резултат, космологът Х. П. Робъртсън се заел да преразгледа решението на Дросте, според което времето спира на границата на магическата сфера. Той открил, че времето всъщност престава да тече само от гледната точка на наблюдателя, следящ навлизането на космическия кораб в сферата. От гледна точка на самия кораб обаче на гравитацията ще й е нужна частица от секундата, за да го погълне. С други думи, ако някой астронавт има лошия късмет да премине през магическата сфера, той ще бъде смазан почти моментално, а страничният наблюдател ще има чувство, че падането му продължава хилядолетия.

Този резултат бил изключително важен. Той означава, че магическата сфера е достижима и не може да се пренебрегне като математическа уродливост. Учените трябвало сериозно да се замислят какво става с телата, преминаващи през сферата. Физиците изчислили как би изглеждало пътуването през нея. (Днес тази магическа сфера се нарича хоризонт на събитията. Хоризонтът е най-далечната точка, която можем да видим. Радиусът на хоризонта на събитията се нарича радиус на Шварцшилд.)

Ако приближавате черна дупка, ще видите светлина, попаднала там преди милиарди години, по времето на възникването на самата черна дупка. С други думи, пред вас ще се разкрие историята на живота на черната дупка. Когато се приближите, приливните вълни постепенно ще разкъсат атомите на тялото ви, докато дори ядрата им не заприличат на спагети. Пътуването през хоризонта на събитията ще бъде еднопосочно, тъй като гравитацията ще бъде толкова силна, че неизбежно ще се озовете точно в центъра на черната дупка, където ще бъдете смазани. Преминете ли хоризонта на събитията, връщане назад няма. (За целта е нужно да пътувате по-бързо от светлината, а това е невъзможно.)

През 1939 г. Айнщайн написал статия, в която се опитва да опровергае съществуването на тъмни звезди. Според него подобни тела не могат да се образуват в естествени условия. Той започва с допускането, че всяка звезда се образува от въртяща се сфера от газ, прах и отломъци, която постепенно се свива под силата на гравитацията. След това доказва, че този сбор от въртящи се частици никога не може да колапсира до радиуса на Шварцшилд. В най-добрия случай масата ще се свие до 1,5 мерни единици от радиуса на Шварцшилд, което не е достатъчно за образуването на черна дупка. (За да се премине тази граница е нужно да се пътува по-бързо от скоростта на светлината.) „Резултатът от това изследване ясно показва защо «сингулярностите на Шварцшилд» не съществуват във физическата реалност“^[2], пише Айнщайн.

Артър Едингтън също имал големи резерви относно черните дупки и цял живот подозирал, че те изобщо не биха могли да съществуват. Веднъж дори заявил, че би трябвало „да има закон на Природата, който да забранява на звездите да се държат по такъв абсурден начин“^[3].

По ирония на съдбата, през същата година Дж. Робърт Опенхаймер (бъдещият баща на атомната бомба) и ученикът му Хартланд Шнайдер показали с помощта на друг механизъм, че черна дупка всъщност може да се образува. Вместо да приемат, че тя се получава от въртяща се сфера частици, която се свива под силата на собствената си гравитация, те използвали като изходна точка масивна стара звезда, която е изразходвала ядреното си гориво и поради това имплодира (спуква се навътре) под действието на гравитацията. Например умиращ гигант с маса 40 пъти колкото слънчевата може да изразходва горивото си и да се свие до радиуса на Шварцшилд (в случая — 130 км), което неминуемо означава гравитационен колапс и образуване на черна дупка. Черните дупки, предположили Опенхаймер и Шнайдер, са не само възможни, но и могат да бъдат естествен край за милиардите гиганти в галактиката. (Може би именно идеята за имплозията, предложена от Опенхаймер през 1939 г., го е вдъхновила за имплодиращия механизъм, използван само няколко години по-късно в атомната бомба.)

Мостът Айнщайн-Розен

Въпреки че според Айнщайн черните дупки са прекалено фантастични, за да съществуват в действителност, това не му попречило иронично да покаже, че дори са още по-фантастични, отколкото се предполага, като предположил, че в центъра на черната дупка има дупка-червей. За математиците това са свързани пространства. Физиците ги наричат дупки-червеи, защото създават алтернативни преки пътища между две точки, подобно на дупката на червей. Можете да ги срещнете и като портали към други измерения. Както и да ги кръстите, тези проходи може би някой ден ще се окажат единственото средство за пътуване към други измерения.

Първият човек, популяризирал тези дупки, е Чарлс Доджсън, пишещ под псевдонима Луис Карол. В „Алиса в Огледалния свят“ той представя дупка-червей като огледало, свързващо Оксфорд със Страната на чудесата. Като професионален математик и оксфордска знаменитост, Доджсън бил добре запознат със свързаните пространства. По определение свързано пространство е такова пространство, в което ласото не може да се стегне до точка. Обикновено всяка примка може без усилия да се свие до точка. Но ако вземем една поничка, то ще можем да поставим ласото около нея така, че то да огражда дупката на поничката. При стягането на примката ще се окаже, че не можем да я свием в една точка, а в най-добрия случай — едва до обиколката на поничката.

Математиците били възхитени от факта, че са открили обект, който е абсолютно непотребен в описаното пространство. Но през 1935 г. Айнщайн и ученикът му Нейтан Розен въвели дупките-червеи в света на физиката. Двамата се опитвали да използват решението на черната дупка за елементарните частици. Айнщайн никога не харесвал съществуващата още от времето на Нютон идея, че гравитацията на една частица става безкрайна с приближаването до нея. Тази „сингулярност“ според него би трябвало да се премахне, тъй като била напълно безсмислена.

На Айнщайн и Розен им хрумнала идеята да представят електрона (обикновено смятан за малка точка без каквато и да било структура) като черна дупка. Така общата теория на относителността можела да се използва за обясняване на загадките на квантовия свят в общата теория на полето. Двамата започнали със стандартното решение за черната дупка, наподобяващо голяма ваза с дълга шия. След това разрязали шията и я съединили с огледално решение за черна дупка. За Айнщайн тази странна, но симетрична конфигурация би трябвало да е лишена от характеристиките на новообразувана черна дупка и би могла да действа като електрон.

За съжаление идеята на Айнщайн да представи електрона по този начин се провалил. Днес обаче космолозите предполагат, че мостът Айнщайн-Розен може да действа като портал между две вселени. Можем да се движим свободно в едната от тях, докато случайно не попаднем в черна дупка и не бъдем изплюти от другата страна (през бяла дупка).

 

Мостът Айнщайн-Розен. В центъра на черната дупка има „гърло“, което свързва пространството и времето с друга вселена или друга точка в нашата вселена. Макар пътуването през стационарна черна дупка да е фатално, въртящата се черна дупка има подобна на пръстен сингулярност, така че е възможно да се мине през този пръстен и съответно — по моста на Айнщайн-Розен. Все пак, това засега са само предположения.

 

За Айнщайн всяко решение на уравненията му би трябвало да кореспондира с физически възможен обект, стига да започва от физически приемлива отправна точка. Той самият не се безпокоял, че някой може да пропадне в черна дупка и да се озове в паралелна вселена. В центъра приливните вълни би трябвало да станат безкрайни и гравитационното поле би трябвало да разнесе на парчета атомите на всеки, успял по невнимание да попадне вътре. (Мостът Айнщайн-Розен се отваря за миг, но се затваря толкова бързо, че нито едно тяло не може да мине през него достатъчно бързо, за да успее да достигне до другата страна.) Според Айнщайн, макар и дупките-червеи да могат да съществуват, нито едно живо същество не е в състояние да мине през тях и да разкаже какво има оттатък.

Завъртане на черните дупки

През 1963 г. обаче това виждане започнало да се променя. Новозеландският математик Рой Кер открил решения на уравненията на Айнщайн, описващи може би по най-реалистичен начин една умираща звезда — въртяща се черна дупка. Поради запазването на ъгловата инерция по време на гравитационния колапс звездата започва да се върти все по-бързо (това е причината въртящите се галактики да приличат на въртящи се фойерверки, а кънкьорите да се завъртат по-бързо, когато приберат ръцете до тялото си). Така въртящата се звезда може да се свие до пръстен от неутрони, който ще остане стабилен поради огромната центробежна сила, която уравновесява силата на гравитацията. Изумителната характеристика на подобна черна дупка е в това, че ако някой попадне в нея, той няма да бъде смазан, а ще премине през моста Айнщайн-Розен и ще се озове в паралелна вселена. „Минавате през магическия пръстен и — presto! — озовавате се в напълно различна вселена, където радиусът и масата са негативни!“^[4], възкликнал Кер пред свой колега след като направил откритието си.

С други думи, рамката на огледалото на Алиса е нещо като въртящия се пръстен на Кер. Всяко пътуване през пръстена на Кер обаче ще бъде еднопосочно. Ако минете през хоризонта на събитията около пръстена на Кер, гравитацията няма да бъде достатъчна, за да ви смаже, но не би ви позволила да се върнете обратно. (Всъщност черната дупка на Кер има два хоризонта на събитието. Някои предполагат, че за обратното пътуване ще ви е необходим втори пръстен, свързващ паралелната вселена с нашата.) В известен смисъл, черната дупка на Кер може да се сравни с асансьор в небостъргач. Асансьорът представлява моста Айнщайн-Розен, който свързва отделните етажи, всеки от които представлява отделна вселена. Етажите в небостъргача са безброй и всеки се различава от останалите. Асансьорът обаче не може да се движи надолу. Съществува единствено бутон „нагоре“. Щом напуснете някой етаж (или вселена), няма да можете да се върнете, тъй като сте преминали хоризонта на събитията.

Физиците са разделени в мнението си колко стабилен би могъл да бъде пръстенът на Кер. Някои изчисления сочат, че ако някой се опита да мине през него, самото му присъствие ще дестабилизира черната дупка и порталът ще се затвори. Ако например в черната дупка на Кер попадне светлинен лъч, с приближаването към центъра енергията му ще се увеличи неимоверно и лъчът ще се измести към синия спектър — т.е., ще повиши честотата си. При приближаването си към хоризонта на събитията енергията му ще бъде толкова огромна, че би убила всеки, който се опита да премине през моста Айнщайн-Розен. Освен това лъчът ще създаде свое собствено гравитационно поле, което ще взаимодейства с черната дупка и може би ще унищожи прохода.

С други думи, макар някои физици да смятат, че черната дупка на Кер е най-реалистичната от всички модели и наистина би могла да свързва паралелни вселени, не е ясно колко безопасно би било да се стъпи на моста или колко стабилен може да се окаже входът.

Наблюдение на черни дупки

Поради странните свойства на черните дупки съществуването им се смяташе за фантастика до началото на 90-те. „Ако преди десет години откриехте обект в центъра на някоя галактика и го наречете черна дупка, половината от колегите ви щяха да решат, че не сте в ред“^[5], отбеляза през 1998 г. астрономът Дъглас Ричстоун от Мичиганския университет. Оттогава досега с помощта на телескопа „Хъбъл“, рентгеновия телескоп „Чандра“ (който измерва емисиите рентгенови лъчи от мощни звездни и галактични източници) и Големия радиотелескоп, състоящ се от серия мощни радиотелескопи в Ню Мексико, астрономите идентифицираха няколкостотин черни дупки. Всъщност мнозина смятат, че повечето от галактиките с огромни купове в средата имат черни дупки в центровете си.

Както бе предсказано, всички открити в космоса черни дупки се въртят изключително бързо. Според данните от „Хъбъл“ скоростта на въртене на някои от тях е около милион и половина километра в час. В самия им център може да се види плоско кръгло ядро, често достигащо диаметър около една светлинна година. Вътре в това ядро се крие хоризонтът на събитията и самата черна дупка.

Тъй като самите черни дупки са невидими, астрономите използват косвени методи за установяване на съществуването им. Те се опитват да идентифицират на снимките „акреционния диск“ („диска на натрупване“) от въртящ се газ, който заобикаля черната дупка. Астрономите вече притежават колекция от прекрасни снимки на подобни дискове. (Те са почти универсални за най-бързо въртящите се обекти във вселената. Дори нашето собствено Слънце може би е имало подобен диск по време на образуването си преди 4,5 милиарда години, от който по-късно са се образували планетите. Причината за образуването им е в това, че те представляват най-ниското енергийно състояние за толкова бързо въртящо се тяло.) С помощта на Нютоновите закони за движението, астрономите могат да изчислят масата на централния обект, като знаят скоростта на въртящите се около него звезди. Ако масата на централния обект има скорост на избягване, равна на скоростта на светлината, тогава дори самата светлина не е в състояние да го напусне, което означава косвено доказателство за съществуването на черна дупка.

Хоризонтът на събитията се намира в центъра на акреционния диск. (За съжаление той е прекалено малък, за да може да се различи със средствата на съвременната технология. Астрономът Фулвио Мелиа твърди, че заснемането на хоризонт на събитията е „Светият граал“ на науката за черните дупки.) Далеч не целият газ, обикалящ около черната дупка, минава през хоризонта на събитията. Част от него минава покрай него и бива изхвърлен с огромна скорост обратно в космоса, образувайки две дълги струи, излизащи от северния и южния полюс на черната дупка. Това дава на черната дупка вид на въртящ се пумпал. (Причина за изхвърлянето на струите по подобен начин вероятно са магнитните силови линии на колапсиращата звезда. С увеличаването на интензитета си, те са се концентрирали около полюсите. Докато звездата продължава да претърпява гравитационен колапс, тези линии се събират в две тръби, излизащи от полюсите. Когато йонизираните частици попаднат върху звездата, те следват тези тесни магнитни линии и биват изхвърлени като реактивни струи през полярните магнитни полета.)

Засега са различени два типа черни дупки. Първият е звездна черна дупка, при която умиращата звезда е смазана от гравитацията, докато не имплодира. Вторият тип се открива по-лесно. Това са галактичните черни дупки, които се спотайват в самия център на огромните галактики и квазари и масата им надвишава милиони и милиарди пъти масата на Слънцето.

Неотдавна бе открита черна дупка и в центъра на Млечния път. За съжаление центърът на галактиката ни не може да се види заради облаците космически прах. В противен случай всяка нощ щяхме да виждаме огромно светещо кълбо в съзвездието Стрелец. Центърът на Млечния път щеше да свети може би по-ярко от Луната и да бъде най-яркият обект в нощното небе. А в самото сърце на галактическото ядро се намира черна дупка, чиято маса се равнява на около 2,5 милиона слънчеви. Що се отнася до размерите й, тя е може би около една десета от радиуса на орбитата на Меркурий. Това не е особено голяма черна дупка по галактични стандарти — квазарите могат да имат далеч по-големи черни дупки с маса, надхвърляща няколко милиарда пъти масата на Слънцето. Черната дупка в задния ни двор понастоящем е доста невзрачна.

Следващата най-близка галактическа черна дупка се намира в центъра на съседната галактика Андромеда. Масата й е колкото 30 милиона слънчеви маси, а радиусът й на Шварцшилд е около 95 милиона километра. (В центъра на галактиката Андромеда има най-малко два масивни обекта, представляващи може би остатъци от друга галактика, погълната преди милиарди години от Андромеда. Ако в далечно бъдеще нашият Млечен път се сблъска със съседката си, може би и той ще свърши в „стомаха“ й.)

Една от най-прекрасните фотографии на подобна черна дупка е направена от телескопа Хъбъл в центъра на галактика NGC 4261. Досегашните картини от радиотелескопите показваха две грациозни струи, излизащи от северния и южния полюс, но никой не знаеше на какво се дължат те. „Хъбъл“ успя да заснеме самия център на галактиката и разкри диск с диаметър около 400 светлинни години. В самия му център се намира малката точица на акреционния диск с диаметър около една светлинна година. Самата черна дупка, която си остава невидима за „Хъбъл“, тежи около 1,2 милиарда пъти повече от Слънцето.

Подобни галактически черни дупки са толкова мощни, че са в състояние да погълнат цели звезди. През 2004 г. NASA и Европейската космическа агенция обявиха, че са открили огромна черна дупка в една далечна галактика, поглъщаща наведнъж звезда. Рентгеновият телескоп „Чандра“ и Европейската космическа лаборатория „Нютон“ наблюдаваха едно и също събитие — поток рентгенови лъчи от RX J242-11, свидетелстващи за поглъщането на звезда от огромна черна дупка в центъра на галактиката. Предполага се, че масата на тази черна дупка е колкото 100 милиона слънчеви маси. Изчисленията показаха, че когато звездата е доближила гибелно близо до хоризонта на събитията, невъобразимо силната гравитация я е изкривила и разпънала, докато не я е разкъсала на парчета, изхвърляйки издайническия поток рентгенови лъчи. „Тази звезда бе разпъната до точката на пречупване. Просто е изкарала лош късмет да навлезе в територията на зъл съсед“^[6], отбеляза астронома Щефани Комоса от института „Макс Планк“ в Гарчинг, Германия.

Съществуването на черните дупки помогна за решаването на множество стари загадки. Например галактиката М-87 винаги е будела любопитството на астрономите, защото изглежда като масивно кълбо от звезди, от което излиза странна „опашка“. Тъй като излъчва големи количества радиация, отначало учените предполагаха, че опашката представлява поток от антиматерия. Днес обаче астрономите откриха, че тя се дължи на огромна черна дупка, тежаща може би 3 милиарда слънчеви маси и представляваща огромна плазмена струя, която се изхвърля навън от галактиката, а не навлиза в нея.

Още по-забележително откритие бе направено от рентгеновия телескоп „Чандра“, който успя да надникне през една малка пролука в облака космически прах към далечния космос и да съзре група черни дупки на самия край на видимата вселена. Групата се състои от общо 600 обекта. Въз основа на това астрономите предполагат, че в цялото нощно небе има може би най-малко 300 милиона черни дупки.

Излъчватели на гама-лъчи

Споменатите по-горе обекти вероятно съществуват от милиарди години. Днес обаче астрономите имат рядката възможност да търсят черни дупки, образуващи се буквално пред очите ни. Някои от тях вероятно са мистериозните излъчватели на гама-лъчи, които изпускат най-големите количества енергия във вселената. По отношение на мощност те са превъзхождани единствено от Големия взрив.

Изучаването на излъчвателите на гама-лъчи имат интересна история, започваща от времето на Студената война. В края на 60-те САЩ се страхуваха, че Съветският съюз или някоя друга държава може тайно да взриви атомна бомба в някоя пустинна част на Земята или дори на Луната в разрез с подписаните договорености. Ето защо САЩ изстреляха сателита „Вела“, предназначен да засича „атомните проблясъци“, или нерегламентираните детонации на атомни бомби. Тъй като ядреният взрив протича на различни етапи, следващи микросекунди един след друг, всяка бомба дава характерен двоен проблясък, които може да се засече от сателит. („Вела“ наистина засече два такива проблясъка през 70-те, недалеч от брега на Острова на принц Едуард в Южна Африка, в присъствието на израелски бойни кораби. Тези наблюдения все още са обект на дебати в разузнавателните служби.)

Пентагонът силно се стресна, когато „Вела“ улови сигнали от неимоверно мощни ядрени взривове в космоса. Нима Съветите тайно правят опити в открития космос благодарение на някаква неизвестна висока технология? Обезпокоени, че руснаците може да са ги изпреварили във военно отношение, американските военни се обърнаха към най-големите учени да анализират плашещите сигнали.

След разпадането на Съветския съюз по-нататъшното засекретяване на тази информация стана безпредметно и Пентагонът изсипа тонове данни на астрономите, които направо се смаяха. За първи път от десетилетия беше разкрит напълно нов астрономически феномен с огромно научно значение. Астрономите бързо разбраха, че излъчвателите на гама-лъчи, както ги нарекоха, имат огромна мощност и само за няколко секунди отделят толкова енергия, колкото ще отдели Слънцето за целия период на съществуването си (около 10 милиарда години). Но същевременно тези явления са и много краткотрайни — след засичането им от спътника отслабваха до такава степен, че докато земните телескопи успеят да се насочат в нужната посока, от тях вече не оставаше и следа. (Повечето излъчватели съществуват между 1 и 10 секунди, като най-краткият е продължил 0,1 секунда, а най-продължителния — няколко минути.)

Съвременните космически телескопи и екипите за бързо реагиране промениха способността ни да откриваме излъчвателите на гама-лъчи. Понастоящем, благодарение на една сложна поредица от процедури, се засичат по около три излъчвателя на ден. Веднага след засичането от сателита астрономите бързо локализират точните координати на енергийния източник с помощта на компютри и насочват колкото се може повече телескопи и сензори в нужната посока.

Данните от уредите са наистина поразителни. В сърцето на тези излъчватели на гама-лъчи се таи обект, чийто диаметър често е само няколко десетки километра. С други думи невъобразимата космическа мощ на излъчвателите е концентрирана в район с размерите, да речем, на Ню Йорк. В продължение на години водещите кандидати за подобни събития бяха сблъскващи се неутронни звезди в двойна звездна система. Според тази теория орбитите на тези неутронни звезди с времето се нарушават и тъй като се движат по смъртоносна спирала, те рано или късно се сблъскват и отделят огромни количества енергия. Подобни събития са изключително редки, но тъй като вселената е огромна и излъчвателите я озаряват цялата, би трябвало да се наблюдават по няколко пъти на ден.

През 2003 г. обаче учените събраха нови данни, според които излъчването на гама-лъчи е резултат от избухването на „хипернова“, при което се образува масивна черна дупка. Благодарение на бързата реакция на телескопите и сателитите астрономите откриха, че излъчванията наподобяват на огромни свръхнови. Тъй като експлодиращата звезда има изключително силно магнитно поле и излъчва заредени частици при полюсите си, може да изглежда сякаш свръхновата е по-наситена с енергия, отколкото е в действителност — т.е., че ние наблюдаваме излъчвателите само ако са насочени директно към Земята и ни създават погрешното впечатление, че са по-мощни.

Ако наистина излъчвателите на гама-лъчи са черни дупки в процес на формиране, то следващото поколение космически телескопи би трябвало да е в състояние да ги анализира в големи подробности и може би да отговори на някои от най-наболелите въпроси относно пространството и времето. Например, щом черните дупки могат да усукват пространството като козунак, дали правят същото и с времето?

Машината на времето на Ван Стокъм

Теорията на Айнщайн свързва времето и пространството в неразривно единство. В резултат на това всяка дупка-червей, свързваща две отдалечени точки в пространството, би могла да свързва и две отдалечени точки във времето. С други думи, теорията на Айнщайн позволява пътуването във времето.

Самата концепция за времето е претърпяла развитие през вековете. За Нютон времето е като стрела — веднъж изстреляна, тя никога не променя курса си и пътува безпогрешно и равномерно към целта си. След това Айнщайн въведе концепцията за изкривеното пространство и времето стана по-скоро като река, която леко ускорява или забавя хода си, докато извива меандрите си из вселената. Но Айнщайн се безпокоял, че тази река може да се изкриви обратно в себе си. Може би в нея се спотайват скрити водовъртежи и разклонения.

Тази възможност била реализирана през 1937 г., когато У. Дж. Ван Стокъм открил решение на уравненията на Айнщайн, които позволяват пътуването във времето. Той започнал с безкраен въртящ се цилиндър. Макар че е невъзможно да се направи безкраен предмет, той изчислил, че ако подобен цилиндър се върти със скорост, равна или близка на скоростта на светлината, той ще повлече тъканта на пространството и времето около себе си. (Това се нарича повличане на кадъра и вече е регистрирано върху детайлни снимки на въртящи се черни дупки.)

Всеки, проявил достатъчно смелост да се доближи до подобен цилиндър, ще бъде въвлечен около него и ще набере фантастична скорост. Всъщност за страничния наблюдател пътешественикът ще се движи по-бързо от светлината. Макар че отначало и самият Ван Стокъм не си давал сметка за това, след една пълна обиколка около цилиндъра всъщност ще пътувате назад във времето и ще се върнете на изходна позиция, преди да сте тръгнали. Ако излезете от стаята си, ще се върнете в нея, да кажем, в 18:00 предишната вечер. Колкото по-бързо се върти цилиндърът, толкова по-назад във времето ще отидете (единственото ограничение в случая е, че не можете да се върнете в момент преди създаването на самия цилиндър).

Тъй като цилиндърът е като украсен майски кол, около който се танцува, с всяка обиколка около него ще се връщате все по-назад и по-назад във времето. Разбира се, подобно решение може да се отхвърли, тъй като цилиндрите не могат да бъдат безкрайно дълги. Освен това, ако подобно съоръжение може да се построи, центробежните му сили ще бъдат толкова огромни, че материалът, от който е изграден цилиндърът, ще се разпадне.

Вселената на Гьодел

През 1949 г. големият математик-логик Курт Гьодел открил още по-странно решение на уравненията на Айнщайн. Той приема, че цялата вселена се върти. Подобно на цилиндъра на Ван Стокъм, и в този случай въртенето повлича след себе си подобното на меласа пространство-време. Пътувайки с космически кораб из вселената на Гьодел, в крайна сметка ще се върнете в изходната си точка, но в минал момент.

Във вселената на Гьодел астронавтът може да пътува между всеки две точки на пространството и времето. Всяко събитие във всеки момент може да се достигне, независимо преди колко години се е случило. Поради гравитацията вселената на Гьодел има тенденция да се свие сама в себе си и затова трябва да има центробежна сила, която да уравновесява силата на привличане. С други думи, вселената трябва да се върти с някаква скорост. Колкото по-голяма е вселената, толкова по-силна е тенденцията към свиване и съответно толкова по-бързо трябва да е въртенето й, за да се избегне колапсът.

Например Гьодел изчислил, че вселена с размери колкото нашата трябва да се завърта веднъж на всеки 70 милиарда години, а минималният радиус за пътуването, необходимо за връщане във времето, е 16 милиарда светлинни години. За да можете да се върнете назад обаче трябва да се движите със скорост съвсем малко под светлинната.

Гьодел много добре осъзнавал парадоксите, които биха могли да възникнат от решението му — възможността да срещнете сами себе си в миналото и така да промените хода на историята.

„Ако в такъв свят направите достатъчно пространна обиколка с космически кораб, бихте могли да се върнете в който и да било момент от миналото, настоящето и бъдещето — точно както на други светове е възможно пътуването в пространството — пише той. — Това състояние обаче като че ли е абсурдно, тъй като пътешественикът има възможност да се върне в близкото минало на местата, където е живял той самият. Там би могъл да попадне на човека, който е самият той в по-ранен етап от живота си, и би могъл да стори нещо, за което самият той няма спомен.“^[7]

Айнщайн бил много обезпокоен от решението на своя приятел и колега от Института по модерни изследвания в Принстън. Отговорът му е доста красноречив:

„По мое мнение, есето на Курт Гьодел представлява много важен принос към общата теория на относителността, особено по отношение на анализа на концепцията за време. Този проблем ме безпокоеше още докато разработвах теорията си, но така и не успях да си го изясня… Разграничаването на «по-ранно — по-късно» или на точки, намиращи се на голямо в космологичен смисъл разстояние, е изоставено и се получават парадоксите относно посоката на причинно-следствената връзка, които посочва г-н Гьодел… Интересно би било да се прецени дали те не трябва да се изключат от физични съображения.“^[8]

Отговорът на Айнщайн е интересен поради две причини. Първо, той признава, че възможността за пътуване във времето го е притеснявала още докато е формулирал общата теория на относителността. Тъй като времето и пространството се разглеждат като парче гума, Айнщайн се тревожел, че тъканта на континуума може да се огъне и усуче до такава степен, че да е възможно пътуване във времето. Второ, той отхвърля решението на Гьодел от „физични съображения“ — т.е., защото вселената не се върти, а се разширява.

Когато Айнщайн починал, не било никаква тайна, че уравненията му позволявали странни феномени като пътуване във времето и дупки-червеи. Никой обаче не им отдавал особено значение, тъй като учените смятали, че те не биха могли да се реализират на практика. Съществувал консенсус, че решенията нямат почва в реалния свят — ако се опитате да достигнете до паралелна вселена през черна дупка, ще загинете; вселената не се върти; не можете да правите безкрайни цилиндри. Ето защо пътуването във времето се смятал за чисто академичен въпрос.

Машината на времето на Торн

Въпросът за пътуването във времето сякаш бе забравен в продължение на три и половина десетилетия до 1985 г., когато астрономът Карл Сейгън пишеше романа си „Контакт“ и искаше да използва в него начин, по който героинята му да може да стигне до звездата Вега. Пътуването трябваше да е двупосочно — от Земята до Вега и обратно, — но не би могло да се осъществи чрез черните дупки или дупките-червеи. Сейгън се обърнал за съвет към физика Кип Торн, който шокира света с намирането на нови решения на уравненията на Айнщайн, позволяващи пътуване във времето без много от предишните проблеми. През 1988 г. заедно с колегите си Майкъл Морис и Ълви Юрчестър Торн доказа, че е възможно да се построи машина на времето, стига да може по някакъв начин да се получат такива странни форми на материята и енергията като „екзотичната отрицателна материя“ и „отрицателна енергия“. Отначало физиците се отнесоха скептично към това решение, тъй като никой не бе виждал екзотична материя, а отрицателната енергия съществува в нищожно малки количества. Въпреки това решението представлява пробив в разбирането ни за пътуването във времето.

Огромното преимущество на отрицателната материя и енергия е в това, че те могат да обърнат дупката-червей и да направят двупосочното пътуване възможно, без да се налага да се безпокоим за хоризонта на събитията. Всъщност групата на Торн откри, че пътуването през подобна машина на времето може да бъде доста приятно в сравнение със стреса, който изпитваме по време на полета с пътнически авиолайнер.

Проблемът обаче е в това, че екзотичната (или отрицателна) материя има твърде необикновени качества. За разлика от антиматерията (за чието съществуване се знае и която най-вероятно ще попадне под въздействието на земното гравитационно поле), отрицателната материя ще попадне нагоре от земята, защото притежава антигравитация. Вместо да се привлича, тя се отблъсква от обикновената и от друга отрицателна материя. Това означава, че откриването й — ако изобщо я има — е доста трудна задача. При образуването на Земята преди 4,5 милиарда години цялата отрицателна материя би трябвало да се е отдалечила, така че в момента тя може би се рее някъде из открития космос, далеч от всички планети. (Отрицателната материя може би никога няма да се сблъска с някоя изпречила се на пътя й звезда или планета, тъй като се отблъсква от обикновената материя.)

Докато никой никога не е виждал отрицателна материя (и е напълно възможно тя да не съществува), отрицателната енергия е възможна, но се среща изключително рядко. През 1993 г. Хенрик Казимир показа, че две незаредени успоредни метални плочи могат да създадат отрицателна енергия. Обикновено ще очакваме, че плочите ще останат неподвижни, защото им липсва заряд. Казимир обаче посочи, че между тях съществува слабо привличане. Всъщност тази малка сила е била измерена още през 1948 г. и било доказано, че отрицателната енергия е наистина възможна. Ефектът на Казимир използва едно много странно свойство на вакуума. Според квантовата теория празното пространство е изпълнено с „виртуални частици“, които се появяват и изчезват от нищото. Това нарушаване на закона за запазване на енергията е възможно заради принципа на неопределеността на Хайзенберг, който позволява прекрачването на класическите закони, стига това да става за много кратък момент. Например поради този принцип има известна вероятност електрон и антиелектрон да се появят от нищото и да се анихилират помежду си. Тъй като плочите са много близко една до друга, тези виртуални частици не могат толкова лесно да се появят между тях. И тъй като количеството им в околното пространство е по-голямо, това създава насочена отвън навътре сила, която леко тласка плочите една към друга. Този ефект бе измерен прецизно от Стивън Ламоро в националната лаборатория в Лос Аламос през 1996 г. Силата на привличане бе нищожна (равняваща се на 1/30 000 от теглото на мравка). Колкото по-малко е разстоянието, толкова по-силно е привличането между плочите.

Ето как би могла да работи машината на времето на Торн. Някоя напреднала цивилизация би могла да започне с две успоредни плочи, разделени от изключително малко пространство. След това тези плочи биха могли да се преобразят в сфера, състояща се от външна и вътрешна обвивка. Между две такива сфери би могло по някакъв начин да се опъне тунел през пространството. Така във всяка от тях ще има отвор на дупка-червей.

Обикновено времето тече еднакво и за двете сфери. Но ако поставим едната от тях в космически кораб, пътуващ със скорост, близка до скоростта на светлината, времето в него ще се забави и така двете сфери вече няма да са синхронни. Часовникът в кораба работи много по-бавно, отколкото на Земята. И ако някой скочи в сферата на Земята, той ще мине през дупката червей и ще се озове на космическия кораб, т.е., в миналото. (Тази машина на времето обаче не може да ви закара по-назад във времето от момента, в който е създадена.)

Проблеми с отрицателната енергия

Макар че оповестяването на решението на Торн предизвика истинска сензация, при осъществяването му на практика възникват някои значителни трудности, с които трудно би се справила и една много развита цивилизация. Първо, трябва да се добият големи количества отрицателна енергия, която се среща изключително рядко. Този тип дупка-червей зависи изцяло от богат приток на отрицателна енергия, за да може входът й да стои отворен. Ако някой се заеме да добива отрицателна енергия чрез ефекта на Казимир (получените по този начин количества са нищожно малки), то дупката-червей би трябвало да е много по-малка от атом, което прави пътуването през нея неосъществимо. Съществуват и други начини за добиване на отрицателна енергия освен ефекта на Казимир, но всички те са доста трудни за манипулиране. Например физиците Пол Дейвис и Стивън Фулинг показаха, че тази енергия се образува и акумулира от бързо въртящо се огледало. За съжаление огледалото трябва да се движи с почти светлинна скорост. И, подобно на ефекта на Казимир, полученото количество отрицателна енергия и в този случай е много малко.

Друг начин за извличане на отрицателна енергия е да се използват мощни лазерни лъчи. В рамките на енергийните състояния на лазера има и „притиснати“, при които положителната и отрицателната енергия съществуват едновременно. Този ефект обаче е също много труден за манипулиране. Типичният импулс отрицателна енергия трае не повече от 10^–15 секунди, след което следва импулс положителна енергия. Отделянето на двете състояния е възможно, макар че е изключително трудно постижимо. Ще се спра по-подробно на този въпрос в 11 глава.

Наскоро се оказа, че в близост до хоризонта на събитията на една черна дупка също има отрицателна енергия. Както показаха Джейкъб Бекенщайн и Стивън Хокинг, черната дупка не е съвършена — тя бавно отделя енергия.^[9] Това става благодарение на принципа на неопределеността, според който е възможно лъчението да си пробие път през огромната гравитация. Тъй като изпаряващата се черна дупка губи енергия, хоризонтът на събитията постепенно намалява. Обикновено, ако в нея попадне положителна материя (звезда например), хоризонтът на събитията се разширява. Но ако хвърлим в черната дупка отрицателна енергия, резултатът ще е обратен. Така изпаряването на черните дупки създава отрицателна енергия в близост до хоризонта на събитията. (Някои предлагат отворът на червеевата дупка да се разположи непосредствено до събитийния хоризонт, за да може по-лесно да се събира отрицателната енергия. Това обаче може да е изключително трудно и опасно, тъй като рискувате във всеки момент да преминете хоризонта.)

Хокинг показа, че отрицателната енергия е необходима за стабилизиране на всички решения на дупките-червеи. Ходът на разсъждения е съвсем прост. Обикновено положителната енергия може да създаде отвор на дупка-червей, която да концентрира материя и енергия. Така светлинните лъчи се събират в един при влизането си в отвора. Ако обаче се появят от другата страна, това означава, че би трябвало да се разфокусират някъде в центъра на дупката червей. Единственият начин да се получи това е при наличието на отрицателна енергия. Нещо повече — отрицателната енергия е отблъскваща, което е необходимо условие за запазването на дупката-червей от колапсиране под въздействието на гравитацията. Ето защо ключът към построяването на машина на времето или дупка-червей е да се открият достатъчни количества отрицателна енергия, за да може отворът да се поддържа открит и стабилен. (Редица физици показаха, че при наличието на силни гравитационни полета отрицателните енергийни полета се срещат доста често. Така че може би някой ден за задвижването на машината на времето ще се използва гравитационна отрицателна енергия.)

Друго препятствие за създаването на устройство за пътуване във времето е въпросът къде може да се намери дупка-червей. Торн разчита на факта, че дупките-червеи се появяват естествено в онова, което се нарича пространствено-времева пяна. Така се връщаме към въпроса, зададен преди повече от две хилядолетия от древногръцкия философ Зенон, известен със своите апории — какво е най-малкото разстояние, което може да се измине?

На времето Зенон математически доказал, че е невъзможно да се пресече река. Той първо забелязал, че ширината на реката може да се раздели на безброй отделни точки. И тъй като за изминаването на безкрайно много точки ще е необходимо безкрайно много време, прекосяването на реката е невъзможно. Всъщност самото движение ставало абсолютно невъзможно. (Необходими били две хилядолетия и разработването на математическия анализ, за да може най-сетне да се намери решение на главоблъсканицата. Може да се покаже, че през безброй точки може да се премине за определен период от време, което в крайна сметка прави движението възможно от математическа гледна точка.)

Джон Уилър от Принстън се заел да анализира уравненията на Айнщайн, за да намери най-малкото възможно разстояние. Той открил, че на невъобразимо малки разстояния от порядъка на дължината на Планк (10^–33 см) теорията на Айнщайн предсказва, че кривината на пространството ще е доста голяма. С други думи, на такива разстояния пространството далеч не е гладко, а силно изкривено — т.е., прилича на пяна. Така пространството се оказва съставено от малки мехури, които непрекъснато се появяват и изчезват във вакуума. Дори празното пространство на такива разстояния непрекъснато кипи от такива мехурчета пространство-време, които всъщност са малки дупки-червеи и вселени-бебета. Обикновено „виртуалните частици“ се състоят от двойки електрон и антиелектрон, които се появяват и миг след това се анихилират помежду си. Но на Планкови разстояния мехурчетата, представляващи цели вселени и дупки-червеи, могат да се появят от нищото, само за да изчезнат отново във вакуума. Нашата собствена вселена може да е започнала съществуването си като едно подобно мехурче, което се е появило в континуума пространство-време и изведнъж се е разширило поради причини, които все още не разбираме.

Тъй като дупките-червеи са естествени за пространствено-времевата пяна, според Торн една високоразвита цивилизация би могла да ги извлече от нея, да ги разшири и да ги стабилизира с помощта на отрицателната енергия. Макар и изключително труден, този процес не противоречи на законите на физиката.

Макар и да изглежда теоретически възможна (колкото и да е трудна за осъществяване от инженерна гледна точка), машината на времето на Торн се сблъсква с трети неприятен проблем — пътуването във времето не противоречи ли на фундаменталните закони на физиката?

Вселена в спалнята

През 1992 г. Стивън Хокинг се опита да намери веднъж завинаги отговор на въпроса за пътуването във времето. Самият той инстинктивно е срещу пътуването във времето — ако то е нещо толкова обичайно, колкото ходенето на пикник през уикенда, би трябвало да виждаме навсякъде около нас тълпи туристи от бъдещето, които ни зяпат с отворени уста и правят снимки.

Физиците обаче често цитират една мисъл от епичния роман на Т. Х. Уайт „Някогашният и бъдещ крал“, в който обществото на мравките постановява, че „всичко, което не е забранено, е задължително“^[10]. С други думи, ако не съществуват принципи, които да забраняват пътуването във времето, то това пътуване е физически възможно. (Причината за това е в принципа на неопределеността. Щом нещо не е забранено, квантовите ефекти и флуктуации в крайна сметка ще го направят възможно, стига да сме достатъчно търпеливи. Т.е., ако нещо не е забранено, то рано или късно се случва.) В отговор на това Стивън Хокинг предложи „хипотеза за защита на хронологията“, която не позволява пътуването във времето и така „прави историята безопасна за историците“. Според тази хипотеза пътуването във времето е невъзможно, защото нарушава определени физични принципи.

Тъй като с решенията за дупките-червеи се работи изключително трудно, Хокинг започва да излага аргументите си, като анализира опростената вселена на Чарлс Майснер от университета в Мериланд, в която има всичко нужно за пътуване във времето. Пространството на Майснер е идеализирано и в него вашата спалня например може да представлява цялата вселена. Да кажем, че всяка точка на лявата стена е идентична със съответната точка на дясната. Иначе казано, че ако закрачите енергично към лявата стена няма да си разбиете носа, а ще минете през нея и ще се появите през дясната стена. Това означава, че лявата и дясната стена в известен смисъл са свързани, подобно на стената на цилиндър.

Освен това точките на предната стена са идентични с точките на задната, а на тавана — с онези на пода. Така в каквато и посока да тръгнете, ще преминете направо през стените на стаята си и ще се озовете отново в нея. Няма измъкване. С други думи, вашата спалня е наистина цялата вселена!

Най-странното в случая е, че ако се вгледате в лявата стена, ще откриете, че тя е прозрачна и зад нея се вижда точно копие на спалнята. Всъщност ще имате точен клонинг на самия себе си в другата стая, макар че ще можете да виждате само задната си част и никога — предната. Ако погледнете нагоре или надолу, отново ще видите свои копия. Всъщност ще има безкрайна поредица от тях, заобикаляща ви отвсякъде.

 

В пространството на Майснер цялата вселена се побира в спалнята ви. Противоположните стени са напълно идентични помежду си, така че ако влезете в едната от тях, незабавно ще се появите през другата. Същото се отнася и за тавана и пода. Пространството на Майснер често е обект на изучаване, защото има топологията на дупка-червей, но е много по-лесно за математическо описание. Ако стените се движат, пътуването във времето ще е възможно в рамките на вселената на Майснер.

 

Осъществяването на контакт със самия себе си е доста трудна задача. Всеки път когато обръщате глава, за да зърнете лицето на някой от клонингите, той ще прави същото и погледите ви така и няма да се срещнат. Ако обаче спалнята ви е достатъчно малка, бихте могли да протегнете ръка и да докоснете рамото на клонинга пред вас. И ще се шокирате, когато двойникът зад вас е направил същото и ви е докоснал по рамото. Освен това можете да протегнете двете си ръце и да хванете клонингите си от двете ви страни и да получите една безкрайна верига от хванали се за ръце клонинги. В резултат ще сте протегнали ръце през цялата вселена, за да докоснете самите себе си. (Не е препоръчително да наранявате клонингите си. Ако вземете пистолет и го насочите срещу клонинга срещу вас, най-добре е добре да си помислите дали да натискате спусъка — клонингът отзад също е насочил пистолет във вас!)

Да приемем, че в пространството на Майснер стените около вас се свиват. Сега нещата стават съвсем интересни. Да кажем, че някой гигант стиска спалнята и дясната стена се приближава към вас със скорост 3 км/ч. Ако тръгнете към лявата стена, ще се появите през движещата се дясна, но скоростта ви ще е с 3 км/ч по-висока, така че сега ще се движите с 6 км/ч. Всеки път когато правите пълна обиколка, ще получавате допълнително ускорение от 4 км/ч. След многобройни обиколки на вселената ще пътувате със скорости от 6, 9,12 км/ч и т.н., докато постепенно не се доближите до скоростта на светлината.

В една критична точка скоростта ви в тази вселена на Майснер ще е толкова висока, че ще започнете да се движите назад във времето. На практика ще можете да посетите всяка една предишна точка в континуума пространство-време. Хокинг подложи на подробен анализ това пространство и откри, че от математическа гледна точка лявата и дясната стена са почти идентични с двата отвора на дупката-червей. С други думи, спалнята ви прилича на дупка-червей, в която двете противоположни стени са еднакви и приличат на еднаквите отвори на тунела през континуума пространство-време.

След това Хокинг посочи, че пространството на Майснер е нестабилно както в класически, така и в квантов смисъл. Ако например насочите запалено фенерче към лявата стена, лъчът ще натрупва енергия всеки път, когато се появява през дясната. Светлината ще получи синьо отклонение и накрая ще получи безкрайно много енергия — нещо, което е невъзможно. Или енергията ще бъде толкова огромна, че ще създаде свое собствено чудовищно гравитационно поле, което ще свие вселената/дупката-червей. Така се получава, че дупката-червей колапсира, ако се опитаме да минем през нея. Освен това може да се окаже, че т.нар. енергийно-инерционен тензор, който измерва енергийното и материалното съдържание на пространството, става безкраен, тъй като лъчът може да премине безброй пъти през двете стени.

За Хокинг това е coupe de grace^[11] за пътуването във времето — квантовите ефекти на лъчението се натрупват, докато станат безкрайни и създадат дивергенция, която убива пътешественика във времето и затваря дупката-червей.

След излизането на труда на Хокинг въпросът за дивергенцията предизвика оживена дискусия в специализираната литература и учените заеха съответно позиции за и против защитата на хронологията. Всъщност неколцина се опитаха да намерят изход от доказателствата на Хокинг, като подберат подходящи за дупки-червеи условия — различни размери, дължина и т.н. Те откриха, че при някои от решенията енергийно-инерционният тензор наистина създава дивергенция, докато в други остава добре формулиран. Руският физик Сергей Красников разгледа въпроса за дивергенцията за няколко типа дупки-червеи и стигна до заключението, че „няма абсолютно никакви доказателства, че машината на времето задължително трябва да е нестабилна“^[12].

В един момент мнението на учените се обърна до такава степен против позицията на Хокинг, че физикът от Принстън Ли-Ксин Ли дори предложи „антизащита на хронологията“: „Не съществува физичен закон, който да забранява появата на затворени времеподобни криви.“^[13]

През 1998 г. Хокинг бе принуден донякъде да отстъпи: „Фактът, че енергийно-инерционният тензор [в някои случаи] не създава дивергенция, не подкрепя хипотезата за защита на хронологията.“ Това не означава, че пътуването във времето е възможно, а само че познанията ни са все още непълни. Физикът Матю Висер твърди, че неуспехът на предположението на Хокинг „не трябва да се разглежда като окуражаване на ентусиастите относно пътуването във времето, а като индикация, че решаването на въпросите за защитата на хронологията изисква съществуването на цялостна теория на квантовата гравитация“^[14].

Днес Хокинг вече не твърди, че пътуването във времето е абсолютно невъзможно, а само че е крайно малко вероятно и неосъществимо. И наистина, огромната част от доводите са против пътуването във времето. Но това не означава, че то трябва да се отрече напълно. Ако някой успее да открие начин за овладяване на големи количества положителна и отрицателна енергия и да реши проблема със стабилността, пътуването във времето може да се окаже наистина възможно. (И може би причината да не сме затрупани от туристи от бъдещето е в това, че най-ранният момент, до който могат да се върнат те, е моментът на създаването на машината на времето. Явно подобни устройства все още няма.)

Машината на времето на Гот

През 1991 г. Дж. Ричард Гот III от Принстън предложи друго решение на уравненията на Айнщайн, позволяващи пътуване във времето. Подходът му бе интересен, защото е коренно нов и няма нищо общо с въртящи се тела, дупки-червеи и отрицателна енергия.

Гот е роден през 1947 г. в Луисвил, Кентъки, и все още е запазил мекия си южняшки акцент, който звучи малко екзотично в безредния и буен свят на теоретичната физика. Интересите му към науката са още от детска възраст, когато станал член на клуб за любители-астрономи и с интерес се взирал в нощното небе.

В гимназията Гот спечелил престижното съревнование „Търсене на научни таланти“ на Уестингхаус и оттогава останал неизменно свързан с него, заемайки дълги години поста председател на журито. След като завършил математика в Харвард, Гот се прехвърлил в Принстън, където работи и досега.

Докато се занимавал с проучванията си по космология, той се заинтересувал от „космическите струни“ — останки от Големия взрив, чието съществуване се предсказва от редица теории. Ширината им може да бъде по-малка от тази на ядрото на атом, но масата им може да съперничи на масата на звезда и да се простират на милиони светлинни години в пространството. Отначало Гот намери решение на уравненията на Айнщайн, позволяващи съществуването на космическите струни. Ако вземем две от тях и ги насочим една срещу друга, е възможно да ги използваме като машина на времето точно преди да се сблъскат. Първо, Гот откри, че ако направим обиколка около сблъскващите се космически струни, пространството се свива и придобива странни свойства. Знаем, че ако обиколим например една маса, ще направим завъртане на 360 градуса. Ако обаче някой космически кораб обикаля около две струни, той прави по-малко от 360 градуса заради свиването на пространството. (Това е топология на конуса. Ако направим пълна обиколка около конус също ще открием, че сме изминали по-малко от 360 градуса.) Така, ако обикаляме бързо около двете струни, можем на практика да превишим скоростта на светлината (от гледна точка на страничния наблюдател), тъй като общото разстояние е по-малко от очакваното. Това обаче не нарушава специалната теория на относителността, тъй като от наша гледна точка космическият ни кораб ще се движи по-бавно от светлината.

Но това също означава, че ако обикаляте около сблъскващите се космически струни, можете да се върнете назад в миналото. „Силно се развълнувах, когато открих това решение — спомня си Гот. — То използва единствено материя с положителна плътност, която се движи по-бавно от светлината. За разлика от него решенията на дупките-червеи изискват екзотичната отрицателна енергия или материя с отрицателна плътност (нещо, което тежи по-малко от нищо).“^[15]

Има обаче едно препятствие — енергията, необходима за задействането на машината на времето, е невъобразима. „За пътуване назад в миналото са необходими космически струни с маса около 10 милиона милиарда тона на сантиметър, движещи се в противоположни посоки със скорост най-малко 99,999 999 996 процента от скоростта на светлината. Наблюдавали сме високоенергийни протони, движещи се най-малко толкова бързо, следователно подобни скорости са постижими“^[16], отбелязва Гот.

Някои критици посочиха, че космическите струни (ако изобщо съществуват) са изключително рядко, а сблъскващи се такива — още по-рядко явление. Ето защо Гот излезе със следното предположение. Високоразвита цивилизация открива космическа струна някъде в дълбокия космос. С помощта на огромни космически кораби и апарати тя успява да превърне струната в леко извит правоъгълник, който да колапсира под действието на собствената си гравитация и двете прави части на струната да прелетят с огромна скорост една покрай друга и за един кратък момент да създадат машина на времето. „За да можем да направим една обиколка и да се върнем година назад във времето, ще ни е нужна колапсираща струна с маса и енергия, по-голяма от половин галактика“^[17], признава все пак Гот.

Парадокси на времето

Другата традиционна причина физиците да отричат пътуването във времето са свързаните с това парадокси. Например, ако се върнете назад в миналото и убиете собствените си родители, преди да се родите, собственото ви съществуване става невъзможно. Това е важен довод, тъй като науката се основава на логически последователни идеи. Достатъчен е един истински времеви парадокс, за да бъде изключена възможността за пътуване във времето.

Свързаните с времето парадокси могат да се групират в няколко категории:

1. Парадокс на дядото. Променяте миналото по такъв начин, че настоящето става невъзможно. Например отивате в далечното минало да видите динозаврите и без да искате, настъпвате някой малък космат бозайник, който е прародител на човешкия вид. Унищожавате собствения си корен и по силата на логиката не можете да съществувате.

2. Информационен парадокс. От бъдещето пристига информация, което означава, че тя може да няма произход. Например някой учен изобретява машина на времето и се връща в миналото, за да даде плановете на машината на самия себе си. Тайната на пътуването във времето няма да има произход, тъй като машината, с която разполага младият учен, не е създадена от него, а му е била дадена от негово друго „аз“.

3. Парадокс на измамника. Човек знае какво ще бъде бъдещето и прави така, че то да стане невъзможно. Например правите машина на времето, която ви отнася в бъдещето и там разбирате, че ви е писано да се ожените за момиче на име Джейн. На шега обаче решавате да предпочетете Хелън, с което бъдещето ви става невъзможно.

4. Сексуален парадокс. Ставате баща на самия себе си, което е биологически невъзможно. В една история на английския философ Джонатан Харисън героят не само създава, но и изяжда самия себе си. В „Зомбита“ на Робърт Хайнлайн героят е едновременно своя майка, баща, дъщеря и син — цяло фамилно дърво в една личност. (За повече подробности вижте бележката. Разкриването на сексуалния парадокс е доста деликатна работа и изисква познания както върху пътуването във времето, така и в строежа на ДНК.)^[18]

В „Краят на вечността“ Айзък Азимов предвижда „полиция на времето“, която се грижи за недопускането на тези парадокси. При филмовата поредица „Терминатор“ решаващият фактор е информационният парадокс — микрочип, добит от робот от бъдещето, позволява на учените да създадат раса роботи, които стават разумни и завладяват света. С други думи, тези суперроботи нямат създател. Дизайнът им просто се е появил от останките на един от самите тях, дошъл от бъдещето в настоящето. В „Завръщане в бъдещето“ Майкъл Дж. Фокс се мъчи да избегне парадокса на дядото, когато се връща в миналото и среща майка си на тийнейджърска възраст, която (естествено) се влюбва в него. Но ако тя отблъсне ухажването на бъдещия баща, самото съществуване на Фокс ще се окаже под въпрос.

Сценаристите с готовност нарушават законите на физиката, за да направят своите холивудски хитове. Тези парадокси обаче се приемат съвсем насериозно в научната общност. Всяко тяхно решение трябва да бъде съвместимо с теорията на относителността и с квантовата теория. Например, за да има съвместимост с теорията на относителността, реката на времето просто не може да има край. Не можете да заприщите времето. Според общата теория на относителността то представлява гладка и непрекъсната повърхност, която не може да бъде разкъсана и нарязана на парчета. Можем да променим топологията му, но не и да го спрем. Това означава, че ако убиете родителите си, преди да сте се родили, няма просто да изчезнете. Това ще бъде нарушаване на законите на физиката.

Понастоящем учените клонят към две възможни решения на тези парадокси на пътуването във времето. Руският космолог Игор Новиков смята, че сме принудени да действаме по такъв начин, че да не се получават парадокси. Ако реката на времето се извие сама в себе си и създаде водовъртеж, според Новиков някаква „невидима ръка“ задължително ще се намеси и ще ни попречи да създадем парадокс. Този подход обаче поражда проблеми със свободната воля. Ако се върнем в миналото и срещнем родителите си, преди да сме се родили, ние може да си мислим, че имаме свободната воля да действаме както преценим. Според Новиков обаче съществува неоткрит засега физичен закон, който не позволява каквито и да било действия, които могат да променят бъдещето (като например убийството на родителите или попречване на собственото раждане). „Не можем да пратим човек в Рая, който да помоли Ева да не къса ябълката от дървото“^[19], отбелязва той.

Каква е тази загадъчна сила, която би ни попречила да променим миналото и да създадем парадокс? „Подобно ограничаване на свободната воля е необичайно и мистериозно, но не му липсват паралели — пише Новиков. — Например аз мога да искам да ходя по тавана без помощта на специално оборудване. Законът на гравитацията не ми позволява — ако опитам, ще падна. Това означава, че свободната ми воля е ограничена.“^[20]

Парадокси на времето обаче могат да се получат, ако в миналото бъдат изпратени неодушевени предмети, които са лишени от свободна воля. Да предположим, че изпатите в миналото автомати и инструкции за употребата им непосредствено преди историческата битка между Александър Велики и персийския цар Дарий III през 330 г. пр.Хр. Това би могло да промени цялата европейска история (и днес може би щяхме да говорим някаква версия на персийски вместо на европейски език).

Всъщност дори и най-малката намеса в миналото може да предизвика неочаквани промени в настоящето. Например в теорията на хаоса се използва метафората „ефект на пеперудата“. В критичните моменти при образуването на климатичните условия на Земята дори и най-слабото размахване на крилете на някоя пеперуда може да наруши баланса и да предизвика ужасен ураган. И най-малките неодушевени предмети, пратени назад в миналото, неминуемо ще го променят по непредсказуем начин.

Вторият начин да се решат парадоксите на времето е да се приеме, че реката на времето се разделя плавно на два ръкава и образува две отделни вселени. С други думи, ако се върнете в миналото и застреляте родителите си, преди да сте се родили, вие всъщност ще убиете хора, които са генетично идентични с вашите родители, но съществуват в алтернативна вселена, в която никога не сте се раждали. Родителите ви във вашата собствена вселена ще се отърват живи и здрави.

Тази втора хипотеза се нарича „теория за многото светове“ и се основава на идеята, че всички възможни квантови светове е възможно и да съществуват. Това елиминира откритите от Хокинг безкрайни дивергенции, тъй като лъчението не минава отново и отново през дупката-червей, както е в пространството на Майснер, а го прави само веднъж.^[21] Всеки път, когато светлината минава през дупката-червей, тя се озовава в друга вселена. Може би този парадокс стига до най-дълбокия въпрос на квантовата теория — как може една котка да бъде едновременно жива и мъртва?

За да отговорят на тези въпроси, физиците са принудени да приемат две ексцентрични решения — или че съществува космическо съзнание, което наблюдава всички ни, или че съществува безкраен брой квантови вселени.