Как стать автором
Обновить
127.41
Рейтинг
SkillFactory
Школа Computer Science. Скидка 10% по коду HABR

Как избежать «парадокса убитого дедушки» или Квантовая механика решает загадки путешествия во времени

Блог компании SkillFactoryЧитальный залНаучно-популярноеФизика
Перевод
Автор оригинала: Robert Lea

Путешествия во времени давно стали основным жанром фильмов, романов и телевизионных шоу, которые служили всем: от заднего плана до подростковых весёлых комедий, таких как «Назад в будущее», и вдумчивого созерцания в новелле Рэя Брэдбери «И грянул гром». Часто эти истории сосредотачиваются вокруг одного аспекта путешествия во времени – возможных последствий того, что путешественник во времени поменяет прошлые события, в результате чего по возвращении в будущее произойдёт кошмарный сценарий, влияя на способность вообще путешествовать в прошлое.

Эта дилемма, известная как «парадокс убитого дедушки», отражает главное возражение философов и физиков против путешествий во времени – возможное нарушение причинности. В то время как само путешествие во времени остаётся в области чистой спекуляции, возможные результаты нарушения принципа причинности и то, как природа может предотвратить их, являются горячо обсуждаемыми темами, с  такими известными физиками и философами, как Стивен Хокинг и Кип Торн, размышляющими о возможных решениях. Возможно ли, что «многомировая» интерпретация квантовой механики может спасти несчастного (и неуклюжего) путешественника во времени?



Что такое «парадокс убитого дедушки», и почему он так важен?


Парадокс убитого дедушки излагает гипотетическую ситуацию, в которой путешественник во времени отваживается вернуться в прошлое только для того, чтобы непреднамеренно вызвать событие, которое приводит к тому, что путешественник во времени вообще никогда не существовал (обычно случайная смерть дедушки) или какое-то другое событие, которое делает путешествие невозможным. Парадокс возникает потому, что если путешественник во времени никогда не существовал, как он мог отправиться в прошлое, чтобы совершить отцеубийство? Таким образом, сама идея путешествия во времени поднимает возможность нарушения причинности – причина всегда должна предшествовать её следствию.

Фрай, неуклюжий главный герой Футурамы Мэтта Грейнинга, имел довольно неудачную встречу со своими дедушкой и бабушкой в титулованном эпизоде «Розуэлл, который хорошо кончается»

Чтобы рассмотреть этот парадокс, давайте представим себе ситуацию, в которой одарённый молодой изобретатель Марти создаёт машину времени в 2018 году. Поскольку Марти никогда не видел своего деда, он решает совершить путешествие в прошлое, чтобы встретиться с ним. После тщательного исследования Марти выясняет, где именно будет находиться его дед, ещё молодой и бездетный, 23 ноября 1963 года. Он входит в свою машину и начинает путешествие в прошлое.

Набросок путешествия Марти, если мы допустим существование только одной мировой линии

К сожалению, Марти – очень буквальный парень, и, когда мы сказали, что он точно знает, где будет находиться его дед, это не было преувеличением. Марти приземляется точно в том месте, где должен был быть его дед, с предсказуемыми результатами. После быстрого анализа ДНК, чтобы убедиться, что это действительно его дед, Марти терпеливо ждёт своего исчезновения…

Решение дилеммы Марти?


Физики и философы размышляли над несколькими решениями этого парадокса. Принцип самосогласованности Новикова, также известный как Закон сохранения истории Нивена, разработанный русским физиком Игорем Дмитриевичем Новиковым в конце 1970-х годов (Эволюция Вселенной (1979)), предложил использовать геодезические (аналогичные тем, которые используются для описания кривизны пространства в общей теории относительности Эйнштейна) для описания кривизны времени. Эти замкнутые временные кривые (CTCS) предотвратили бы нарушение любых причинно-связанных событий, лежащих на одной и той же кривой. Подход также предполагает, что путешествие во времени возможно только в тех областях, где эти временные кривые существуют, например в червоточинах, как предположил Кип Торн и его коллеги в статье 1988 года «Червоточины, машины времени и состояние слабой энергии». События будут цикличными и самосогласованными. Это подразумевает, что путешественники во времени не смогут изменить прошлое, независимо от того, физически ли им препятствуют или они действительно не имеют возможности сделать это. Поэтому, как бы Марти ни старался, он не смог бы приземлить свою машину именно в этом месте, даже если бы намеревался убить своего деда.

Эта идея была расширена студентами Калифорнийского технологического института Фернандо Эчеверриа и Гуннаром Клинкхаммером вместе с физиком Кипом Торном в статье, где было показано, как бросить бильярдный шар в прошлое через червоточину по траектории, которая будет препятствовать попаданию шара в червоточину. Они утверждали, что физические свойства червоточины изменят траекторию шара таким образом, что он не сможет мешать самому себе, или что именно вмешательство – это то, что в первую очередь заставляет шар войти в червоточину.

Визуальное представление решения Эчеверрии и Клинкхаммера (Brightroundircle)

Итак, согласно теории Новикова, любые действия, предпринимаемые путешественником во времени, просто становятся частью ранее существовавшей истории, и наблюдателям запрещается видеть эти события из-за так называемого горизонта Коши.

Вернувшись в 2018 год, наш герой Марти обнаруживает, что его семейный дом исчез, как и все следы его существования. Читая о теории Новикова и пересекающихся бильярдных шарах, он проклинает бездеятельность Вселенной. Именно в этот момент он понимает, что, возможно, Вселенная не вмешивалась, поскольку для этого требовалось какое-то другое корректирующее действие. Вдохновлённый статьёй о столкновении бильярдных шаров, он мчится к своей машине времени, чтобы помешать себе и спасти собственное будущее.

Решение Новикова может показаться вам несколько произвольным, поскольку оно, безусловно, требует существования множества механизмов, в настоящее время неизвестных физике, достаточных для того, чтобы навсегда затупить бритву Оккама. Именно по этой причине такое решение парадокса убитого дедушки обычно отвергается научным сообществом. Физик Мэтт Виссер, исследователь в области общей теории относительности, предполагает, что принцип самосогласованности Новикова слишком заточен под конкретный случай, чтобы его можно было принять как спасение причинности.

Есть ли более экономное решение парадокса убитого дедушки, основанное на ранее существовавших аспектах физики, введённых другими теориями или дисциплинами?

Так уж случилось, что одно из таких решений может дать хорошо известный аспект квантовой физики: интерпретацией квантовой механики «многих миров».

Многомировая интерпретация квантовой механики


«Многомировая» интерпретация квантовой механики была впервые предложена Хью Эвереттом III в 1950-х годах как решение проблемы коллапса волновой функции, продемонстрированной в печально известном эксперименте Юнга с двумя щелями.

Основная схема двухщелевого эксперимента. Электроны могут проходить через одну из двух щелей

Электроны, выпущенные по отдельности, начинают создавать характерную интерференционную картину на экране за пределами двух щелей

Поскольку электрон движется, его можно описать как волновую функцию с конечной вероятностью прохождения либо через щель S1, либо через щель S2. Когда электрон появляется на экране, он не размазывается по нему, как волна. Он проявляется как точка. Мы называем это коллапсом волновой функции, поскольку волнообразное поведение исчезло, и это ключевой фактор так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики. Но оставался вопрос: почему волновая функция коллапсирует?

Эверетт задал другой вопрос. Коллапсирует ли вообще волновая функция?


Он представил себе ситуацию, в которой вместо коллапса волновой функции она продолжает расти экспоненциально. Настолько, что в конечном счёте вся Вселенная оказывается лишь одним из двух возможных состояний. «Мир», в котором частица прошла через S1, и мир, в котором частица прошла через S2. Эверетт также утверждал, что одно и то же «расщепление» состояний произойдёт для всех квантовых событий с различными исходами, существующими в разных мирах в состоянии суперпозиции. Волновая функция просто выглядит так, как будто она разрушилась для нас, потому что мы находимся в одном из этих миров, которым запрещено взаимодействовать.

Это значит, что когда Марти вернётся в 1963 год, произойдет раскол. Он больше не в том мире, из которого пришёл, назовём его Миром 1. Вместо этого он создал новый мир. Когда он путешествует вперёд во времени, он путешествует по временной шкале этого мира. Он никогда не существовал в этом мире и, по правде говоря, не убивал своего деда. Его дед существует в целости и сохранности ещё в 1963 году в Мире 1.


Набросок путешествия Марти, если применить «многомировую» интерпретацию квантовой механики. Попытка путешествовать назад вызывает нисходящий «прыжок» мировых линий

Итак, что происходит, когда Марти возвращается в прошлое в попытке спасти свой мир? Он непреднамеренно создаёт другое состояние, Мир 3. Этот мир может походить на Мир 1 почти всеми мыслимыми способами, но, согласно применению интерпретации, он не является тем же самым из-за одного события. Столкновение двух машин времени 23 ноября 1963 года.

Если Марти снова попытается вернуться в 1963 год, чтобы исправить первоначальное вмешательство, он просто создаст другое состояние, Мир 3

Правда в том, что если это правильное решение парадокса убитого дедушки, то Марти никогда не сможет вернуться в Мир 1. В интерпретации «многих миров» заложено, что наложенные миры не могут взаимодействовать друг с другом. Марти может двигаться «вниз», потому что именно его присутствие в определённый момент создает мир. Невзаимодействие означает, что независимо от того, какие меры он принимает, каждый раз, когда он возвращается в прошлое, он создаёт новый мир и прыгает «вниз» в этот мир, а затем может двигаться только вперёд во времени по этой линии. Где-то в своём мире, Мире 1, Марти, изобретательный молодой человек, просто исчез в один прекрасный день, чтобы никогда не вернуться.

Заключение


Конечно, ничего из этого не делает путешествия во времени более возможными или вероятными. Специальная теория относительности Эйнштейна и ограничения на скорость объекта с массой сильно ограничивают эту возможность. Но это даёт интересное решение к логической головоломке. Ирония заключается в том, что наиболее правдоподобное решение парадокса убитого дедушки исходит из единственной концепции в физике, которая создала ещё более фантастические истории и приключения, концепции множественных Вселенных, даже если в этом случае упомянутые вселенные сосуществуют в невзаимодействующей гипотезе состояний.

Интерпретация «многих миров» предполагает почти бесконечное количество возможных миров, даже тот, где вы решили отрастить бороду и стать злее.

Интересно, что это приложение также отвечает на другую загадку, часто задаваемую о путешествиях во времени. Если такая технология когда-нибудь перейдёт от диких предположений к реальности, то где же путешественники во времени? Почему они не пришли к нам, чтобы обсудить своё удивительное открытие?

Ответ может заключаться в том, что мы существуем в первичном мире, в котором будут созданы машины времени. Изобретатели и пассажиры таких машин просто исчезают в других мирах собственного творения. Для нас изобретение машин времени будет просто отмечено множеством исчезающих физиков.

Оказывается, Марти было легко.

image
Узнайте подробности, как получить Level Up по навыкам и зарплате или востребованную профессию с нуля, пройдя онлайн-курсы SkillFactory со скидкой 40% и промокодом HABR, который даст еще +10% скидки на обучение:

Теги:skillfactoryвремяпарадоксыфутураманазад в будущееквантовая механиканаучпоп
Хабы: Блог компании SkillFactory Читальный зал Научно-популярное Физика
Всего голосов 19: ↑15 и ↓4+11
Просмотры12K
Комментарии Комментарии 30

Похожие публикации

Лучшие публикации за сутки

Информация

Дата основания
Местоположение
Россия
Сайт
www.skillfactory.ru
Численность
201–500 человек
Дата регистрации
Представитель
Skillfactory School

Блог на Хабре