Какие опасности подстерегают возможных путешественников во времени? 

Научная фантастика учит нас, что любые попытки изменить ход истории «задним числом» — то есть отправившись в прошлое и как-то повлияв на уже произошедшие события — в подавляющем большинстве случаев оборачиваются непредвиденной катастрофой.

Однако не нужно забывать, что многочисленные книги и фильмы на эту тему — не более чем плод фантазии своих авторов, а те далеко не всегда обладают необходимым профильным образованием.

Что же говорит по этому поводу строгая наука, в первую очередь — физика?

Русская служба Daily Truth продолжает серию материалов, посвященных физике, психологии и истории времени, приуроченную к 60-летнему юбилею культового британского сериала «Доктор Кто».

Обладая возможностью перемещаться во времени, персонажи «Доктора Кто» периодически предпринимают попытки изменить прошлое — но в результате раз за разом попадают в беду. Равно как и персонажи многих других фантастических произведений, пытающиеся изменить ход истории аналогичным образом.

Вывод кажется очевидным: любое вмешательство в события прошлого чревато совершенно непредсказуемыми последствиями, а потому невероятно опасно.

В последней, 13-й серии шестого сезона это пытается сделать подруга и возлюбленная главного героя по имени Ривер Сонг. Перенесясь в прошлое, в ключевой момент сюжета она отказывается стрелять в Доктора — хотя зрители сериала уже видели эту сцену раньше и знают, что выстрел неизбежен, поскольку она его уже сделала.

Отказ Ривер следовать уже свершившемуся ходу истории полностью разрушает Вселенную. Разные временные периоды сливаются воедино, рождая причудливую вневременную фантасмагорию, и в какой-то момент персонажи оказываются в Лондоне, где технологии викторианской эпохи одновременно соседствуют и с летающими машинами, и с доисторическими динозаврами.

Лишь после того, как Ривер все же совершает злополучный выстрел, Вселенная «приходит в себя», и нормальное течение времени возобновляется.

Впрочем, по единодушному мнению физиков и философов, в реальном мире подобная парадоксальная ситуация невозможна.

«Парадокс невозможно спровоцировать намеренно, — уверяет Барак Шошани, изучающий теоретическую физику в канадском Университете Брока. — Если какая-то теория предсказывает неизбежный парадокс, это означает, что в ней изначально содержится некое противоречие. Другими словами, такая теория попросту не может быть верна».

Оказывается, разрешить потенциальные парадоксы, вызванные перемещением во времени, можно множеством самых разных способов. Некоторые из них завязаны на существование параллельных вселенных и непостижимые квантовые явления; другие полагаются на пока еще не изученные механизмы создания во Вселенной непротиворечивой логической последовательности.

Какое решение сработает в каждом конкретном случае, во многом зависит от нашего определения понятия времени и понимания принципов его работы — а в этой области вопросов у физиков пока куда больше, чем ответов. Ясно одно: так или иначе Вселенная позаботится о том, чтобы временных парадоксов в ней не возникало.

Самый очевидный способ снять сразу все потенциальные противоречия состоит в том, чтобы признать любые путешествия в прошлое в принципе невозможными. Ведь если отправиться назад во времени нельзя, то и нарушить естественный ход истории не получится при всем желании.

Это объяснение кажется естественным, учитывая наше восприятие времени: оно всегда движется только в одном направлении. Понедельник переходит во вторник, вторник в среду — и так далее, на протяжении всей нашей жизни. Сложно даже представить, что может быть как-то по-другому: например, после вторника снова наступит понедельник.

Однако объяснить, почему происходит именно таким образом, не так просто. В конце концов, в пространстве мы свободно можем перемещаться в любом направлении. Двигаться вверх и вниз чуть сложнее (чем вперед или назад, влево или вправо), поскольку для этого необходимо преодолевать земное притяжение или вгрызаться в грунт под ногами — и все же это вполне возможно. А вот во времени мы почему-то всегда движемся только в одну сторону.

Объяснить такую однонаправленность «стрелы времени» можно двумя способами. Первый — простой и очевидный: таково фундаментальное устройство Вселенной, заложенное в самой природе вещей.

На протяжении тысячелетий это интуитивно понятное объяснение даже не подвергалось сомнению — пока в 20 веке в ходе экспериментов не были обнаружены законы квантовой механики, объясняющие процессы, происходящие с материей на уровне молекул, атомов и еще более мелких частиц.

Оказалось, что в квантовом масштабе процессы могут идти в любом направлении, говорит преподаватель кафедры квантовой физики Оксфордского университета Влатко Ведрал.

«Если мы можем перевести атом из одного состояния в другое, то, согласно законам квантовой механики, мы можем точно так же и вернуть его обратно, — уверяет он. —И это восстановленное первоначальное состояние не будет отличаться от исходного абсолютно ничем. То есть фактически мы вернем его назад во времени».

Как бы невероятно это ни звучало, истинность описанного принципа раз за разом подтверждают многочисленные эксперименты.

«А это значит, что в принципе, — по крайней мере в теории, — абсолютно все процессы должны быть обратимы», — заключает он.

При этом, если вы уроните кофейную чашку на пол, она, понятное дело, разобьется. А вот разбитые чашки почему-то сами обратно из осколков никогда не собираются.

Исходя из этого многие физики склоняются к другому, альтернативному объяснению «стрелы времени»: она не является фундаментальным свойством Вселенной, а лишь вытекает из целого ряда других природных явлений.

«Есть формулы, которые можно рассчитать, вообще не учитывая концепт времени и пространства, и все равно получить правильный ответ», — говорит космолог Кэти Мак из Института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо, Онтарио.

«Может быть, пространство и время — эмерджентные свойства. Может быть, они даже в какой-то степени иллюзорны, и существует некая математическая основа Вселенной, более фундаментальная, чем пространство и время».

Одна из версий подобного объяснения принадлежит австрийскому физику Людвигу Больцману. Его интересовало, почему в привычном нам макромире некоторые процессы необратимы.

Вещи становятся опрятными только в том случае, если для их приведения в порядок используется энергия. «Чтобы распутать наушники, требуется больше энергии, — говорит астрофизик Эмма Осборн из Йоркского университета в Великобритании. — В то время как существует бесконечное количество способов, которыми их можно запутать».

Больцман объясняет это тем, что «самосборка» кофейных чашек или «самораспутывание» провода наушников не являются принципиально невозможными. Просто вероятность того, что это произойдет самопроизвольно, исключительно под влиянием случайного набора внешних факторов, настолько мала, что стремится к нулю.

А значит, можно прождать хоть триллион лет — и все равно никогда этого не дождаться.

Хотя в теории способов перемещения осколков разбитой чашки существует огромное количество. Например, осколки могут двигаться под действием ветра или других потоков воздуха. Но сложно представить, что случайный набор таких перемещений расставит фрагменты в нужном порядке и восстановит чашку в первозданном виде. Скорее он просто перемешает между собой осколки, заменив один беспорядок другим.

Вот уже несколько десятилетий это объяснение «стрелы времени» остается самым простым и понятным, говорит Ведрал. На практике повернуть вспять большинство изменений просто слишком сложно — и это дает нам ощущение того, что время движется в одном направлении.

Звучит правдоподобно, но это объяснение «стрелы времени», конечно же, не единственное, напоминает философ Эмили Адлам из Университета Чепмена в Калифорнии.

По словам Адлам, если наблюдаемая нами Вселенная вообще поддается рациональному осмыслению, она должна быть последовательной. То есть сохранять какую-то общую внутреннюю логику причинно-следственных связей.

Ведь на уровне абстракции Вселенную можно представить как некий (конечный или бесконечный) набор частиц — то есть переносчиков информации, — каждая из которых способна вступать во взаимодействие с другими частицами (носителями информации). Согласно универсальному закону сохранения энергии (импульса), такое взаимодействие двух частиц не может не отражаться на поведении обеих.

«Разве какой бы то ни было последовательный набор процессов может привести к логическим противоречиям в принципе?» — задается вопросом она.

«Ответ таков: в любой закрытой системе [то есть там, где не действуют никакие внешние факторы – примечание Daily Truth] абсолютно любой набор не зацикленных на самое себя процессов в итоге приведет к логическим противоречиям», — говорит Адлам.

Возвращение в прошлое и попытка вмешательства в историю представляет собой классический пример такой невозможной временной петли.

И с этой точки зрения злобный путешественник во времени, который пытается помешать [чернокожей американке] Розе Паркс провести свою историческую акцию протеста (в серии «Роза»), нарушает некоторые фундаментальные законы Вселенной.

«Для того, чтобы избежать логических противоречий, нужно, чтобы процессы не зацикливались, — говорит Адлам. — Если они связаны последовательно, то не будет и причинно-следственной петли».

Требование не допускать таких петель и накладывает ограничения на ход времени, объясняет Адлам: «В результате, поскольку процессы не могут зацикливаться сами на себе, мы и получаем линейную стрелу времени».

Другими словами, течь только в одном направлении время может лишь при соблюдении двух условий: сохранение логической последовательности, о которой говорила Адлам, и общее свойство случайных процессов увеличивать, а не уменьшать энтропию (хаотичный беспорядок), о чем говорил Больцман.

Учитывая это, давайте разберем два вида парадоксов путешествия во времени, которые встречаются в сериале «Доктор Кто», и посмотрим, как они могут быть разрешены на практике.

Во-первых, это парадокс замкнутого круга (bootstrap paradox). Он возникает, «когда что-то появляется из ниоткуда или существует одновременно в двух временных версиях», говорит Шошани.

Предположим, объясняет он, что прямо сейчас в вашей комнате появляется машина времени. «Из нее выходит более старая версия вас, объявляет, что она находится в будущем на 10 лет, и дает вам чертежи машины времени. Вы проводите следующее десятилетие, конструируя эту машину, а затем используете ее, чтобы вернуться в сегодняшний день и передать себе чертежи, — объясняет Шошани.  — Внимание, вопрос: откуда же тогда чертежи машины времени берутся изначально?»

Двенадцатый Доктор приводит аналогичный пример с музыкой Бетховена в открытии девятого сезона «За гранью потопа».

Парадокс бутстрапа — любопытная идея, потому что она не создает никаких несоответствий: вся история аккуратно увязывается. Просто каким-то образом из ниоткуда появилась новая информация — чертеж машины времени.

К счастью, есть относительно простой выход из парадокса бутстрапа. «Может быть, это просто моя выдумка, — говорит Шошани. — Нет никаких причин, чтобы это произошло на самом деле».

Если бы вы действительно могли путешествовать в прошлое, было бы практически невозможно не изменить там вообще ничего.

«Более тревожным парадоксом является парадокс последовательности», — продолжает Шошани. Он более известен как «парадокс дедушки». Это знакомая проблема, когда вы возвращаетесь в прошлое и меняете ключевое событие в своей личной истории. Например, вы убиваете своего деда, когда он был еще ребенком. Это делает невозможным ваше рождение, поэтому некому вернуться в прошлое и убить вашего деда, что и создает парадокс.

В эпизоде «День отца» первого сезона спутница Доктора Роуз Тайлер создает идентичный парадокс, отправляясь в прошлое и спасая своего отца от смерти, когда она была маленькой, что меняет историю ее жизни и высвобождает опасные силы.

В отличие от парадокса бутстрапа, парадокс дедушки кажется неизбежным. Если бы вы действительно могли путешествовать в прошлое, было бы практически невозможно ничего не изменить. Даже если у вас хватит здравого смысла не убивать своих предков, это не будет иметь значения, потому что небольшие изменения могут выплеснуться в мир и в итоге привести к серьезным потрясениям.

Как мы можем этого избежать?

Самое простое объяснение заключается в том, что путешествия во времени в прошлое просто невозможны. Эту «догадку о защите хронологии» изложил покойный Стивен Хокинг в своей работе 1992 года. Шошани подытоживает: «Нам не нужно беспокоиться о парадоксах, потому что путешествия во времени невозможны, и точка».

Проблема здесь в том, что, хотя путешествие во времени в прошлое выглядит крайне маловероятным и сложным, наше неполное понимание физики означает, что мы не можем полностью исключить его.

Альтернативная интерпретация заключается в том, что путешествие во времени в прошлое возможно, но вы не можете ничего изменить. Это называется принципом самосогласованности Новикова, в честь российского физика Игоря Новикова, который обсуждал эту идею в ряде публикаций, завершившихся исследованием, опубликованным в 1990 году.

«Пытаясь предотвратить встречу бабушки и дедушки, вы в итоге становитесь тем, кто заставил их встретиться», — говорит Шошани.

Пример этого происходит в «Водах Марса». Десятый Доктор спасает жизнь астронавту Аделаиде Брук. Это потенциально может переписать историю человечества, ведь ее смерть — поворотное событие. Однако Аделаида потрясена высокомерием Доктора и убивает себя, восстанавливая временную линию.

Неясно, как это будет работать на практике. Как Вселенная «узнает», что кто-то вмешивается в историю?

«Эта гипотеза всегда казалась мне странной и необоснованной», — говорит Шошани. Он описал сценарии, в которых объекты перемещаются в машинах времени и выходят из них, и которые невозможно описать математически непротиворечивым способом, что нарушает гипотезу. «Эта гипотеза просто не может быть верной».

Шошани предпочитает альтернативный сценарий. Если путешествие во времени в прошлое возможно, утверждает он, то и изменить его тоже можно — но это приведет к созданию альтернативной временной линии. Вместо того чтобы создать парадокс, разрушающий вселенную, вы создадите вторую вселенную с другой историей.

Параллельные вселенные — неотъемлемая часть «Доктора Кто», начиная с приключений Третьего Доктора в «Инферно» и заканчивая альтернативной временной шкалой, которую исследовали Десятый Доктор и Роуз Тайлер в «Восстании киберлюдей» и «Судном дне», а также разумной вселенной «Она тебя забирает».

В реальности параллельные вселенные — весьма спорная концепция. Хотя некоторые физические теории могут быть истолкованы как подразумевающие их существование, пока что нет никаких физических доказательств их существования.

Квантовая механика предлагает один из вариантов существования параллельных вселенных. Крошечная субатомная частица может существовать в состоянии, называемом суперпозицией, что означает, что она не находится в одном конкретном месте. Вместо этого она существует в ряде пространств, каждое из которых имеет определенную вероятность быть «правильным». Только когда экспериментатор наблюдает за частицей, ее состояние становится определенным: она «схлопывается» из ряда возможных положений в одно.

Квантовые физики расходятся во мнениях относительно того, как интерпретировать коллапс. Одна из интерпретаций, выдвинутая Хью Эвереттом в конце 1950-х годов, заключается в том, что частица на самом деле не «выбирает» одно единственное положение. Вместо этого все возможные варианты разыгрываются в разных вселенных. Где бы мы ни наблюдали частицу, она находится в нашей Вселенной, но в других вселенных она находится в другом месте. Это стало известно как «интерпретация многих миров» квантовой механики.

Физических доказательств существования этих других вселенных нет, и трудно представить, что могло бы послужить доказательством. Однако у других интерпретаций квантовой механики есть свои проблемы, поэтому интерпретация множества миров по-прежнему представляет интерес.

Если она верна, то дает возможность путешествовать во времени в прошлое и менять ситуацию, не вызывая парадоксов. Одним из первых физиков, предложивших такую возможность, был Дэвид Дойч в исследовании 1991 года. Он утверждал, что если вы отправитесь в прошлое и измените что-то, то создадите вторую вселенную, параллельную исходной. В этой второй временной шкале будет разыгрываться измененная версия истории, в то время как в оригинале все будет происходить так, как всегда.

С этой точки зрения вы можете путешествовать в прошлое, но «вы не можете вернуться назад на свою собственную линию мира»,  говорит Осборн.

Шошани и его коллеги развили эту идею дальше. В исследовании, опубликованном в 2020 году, они показали, что такая версия путешествия во времени не обязательно приводит к бесконечному количеству временных линий. Бесконечность обычно является признаком того, что теория неверна, говорит Шошани, так что эта версия более правдоподобна. В феврале этого года они опубликовали более реалистичную версию этой модели, которая снова избежала парадоксов и бесконечности, а в следующем месяце они изучили сценарий более детально, показав, что ответвление во временной шкале начинается локально и постепенно расширяется, затрагивая все большую часть Вселенной.

Оказывается, существует множество возможных сценариев, которые могли бы произойти, если бы мы каким-то образом путешествовали в прошлое. На данный момент не существует способа провести эксперимент, чтобы определить, какой из этих сценариев путешествия во времени верен, если таковой вообще существует. Чтобы найти правильный ответ, необходимо понять, как и почему «стрела времени» действительно существует. До тех пор, пока мы не проясним законы, лежащие в основе Вселенной, мы не сможем сделать выбор между нашими идеями о путешествиях во времени.