Гипотеза защиты хронологии — это гипотеза, впервые предложенная Стивеном Хокингом , согласно которой законы физики, выходящие за рамки стандартной общей теории относительности, предотвращают путешествия во времени на всех масштабах, кроме микроскопических, даже когда последняя теория утверждает, что это должно быть возможно (например, в сценариях, где разрешено путешествие со скоростью, превышающей скорость света ). Допустимость путешествий во времени математически представлена существованием замкнутых времениподобных кривых в некоторых решениях полевых уравнений общей теории относительности . Гипотезу защиты хронологии следует отличать от хронологической цензуры , при которой каждая замкнутая времениподобная кривая проходит через горизонт событий , что может помешать наблюдателю обнаружить причинное нарушение [1] (также известное как нарушение хронологии ). [2]
В статье 1992 года Хокинг использует метафорический прием «Агентство по защите хронологии» как олицетворение аспектов физики, которые делают невозможными путешествия во времени в макроскопических масштабах, тем самым, по-видимому, предотвращая временные парадоксы . Он говорит:
Похоже, что существует Агентство по защите хронологии, которое предотвращает появление замкнутых времениподобных кривых и, таким образом, делает вселенную безопасной для историков. [3]
Идея Агентства по защите хронологии, по-видимому, игриво заимствована из концепции Патруля времени или Полиции времени, которая использовалась во многих произведениях научной фантастики [4], таких как серия рассказов Пола Андерсона «Патруль времени» или роман Айзека Азимова «Конец вечности » , или в телесериале «Доктор Кто» . «Дело о защите хронологии» Пола Левинсона , опубликованное после статьи Хокинга, постулирует вселенную, которая заходит так далеко, что убивает любых ученых, которые близки к изобретению любых средств путешествия во времени. Ларри Нивен в своем рассказе «Вращающиеся цилиндры и возможность глобального нарушения причинности» расширяет эту концепцию так, что вселенная вызывает экологическую катастрофу, или глобальную гражданскую войну, или местное солнце становится новой, для любой цивилизации, которая показывает какие-либо признаки успешного строительства.
Было предложено много попыток сгенерировать сценарии для замкнутых времениподобных кривых, и общая теория относительности допускает их при определенных обстоятельствах. Некоторые теоретические решения в общей теории относительности, которые содержат замкнутые времениподобные кривые, потребовали бы бесконечной вселенной с определенными характеристиками, которых, по-видимому, нет у нашей вселенной, такими как универсальное вращение метрики Гёделя или вращающийся цилиндр бесконечной длины, известный как цилиндр Типлера . Однако некоторые решения допускают создание замкнутых времениподобных кривых в ограниченной области пространства-времени, при этом горизонт Коши является границей между областью пространства-времени , где замкнутые времениподобные кривые могут существовать, и остальной частью пространства-времени, где они не могут. [5] Одно из первых таких найденных решений ограниченных путешествий во времени было построено из проходимой червоточины , основанной на идее использования одного из двух «устьев» червоточины для кругового путешествия на релятивистской скорости, чтобы создать разницу во времени между ним и другим устьем (см. обсуждение в Wormhole#Time travel ).
Общая теория относительности сама по себе не включает квантовые эффекты, и полная интеграция общей теории относительности и квантовой механики потребовала бы теории квантовой гравитации , но существует приближенный метод моделирования квантовых полей в искривленном пространстве-времени общей теории относительности, известный как полуклассическая гравитация . Первоначальные попытки применить полуклассическую гравитацию к проходимой машине времени червоточины показали, что точно в тот момент, когда червоточина впервые допускает замкнутые времениподобные кривые, квантовые вакуумные флуктуации накапливаются и доводят плотность энергии до бесконечности в области червоточин. Это происходит, когда два устья червоточин, назовем их A и B, были перемещены таким образом, что становится возможным для частицы или волны, движущихся со скоростью света, войти в устье B в некоторый момент времени T 2 и выйти через устье A в более ранний момент времени T 1 , затем вернуться к устью B через обычное пространство и прибыть в устье B в то же время T 2 , в которое они вошли в B на предыдущем цикле; Таким образом, одна и та же частица или волна может совершать потенциально бесконечное количество петель через одни и те же области пространства-времени, нагромождаясь сама на себя. [6] Расчеты показали, что этот эффект не возникнет для обычного пучка излучения, поскольку он будет «расфокусирован» червоточиной, так что большая часть пучка, выходящего из устья A, рассеется и не попадет в устье B. [7] Но когда расчет был проведен для флуктуаций вакуума , было обнаружено, что они спонтанно перефокусируются на пути между устьями, что указывает на то, что эффект наложения может стать достаточно большим, чтобы разрушить червоточину в этом случае. [8]
Неопределенность относительно этого вывода осталась, поскольку полуклассические расчеты показали, что нагромождение приведет к бесконечности плотности энергии только на бесконечно малый момент времени, после чего плотность энергии снизится. [9] Но полуклассическая гравитация считается ненадежной для больших плотностей энергии или коротких периодов времени, которые достигают масштаба Планка ; в этих масштабах для точных предсказаний необходима полная теория квантовой гравитации. Таким образом, остается неопределенным, могут ли квантово-гравитационные эффекты помешать плотности энергии вырасти достаточно большой, чтобы разрушить червоточину. [10] Стивен Хокинг предположил, что не только нагромождение вакуумных флуктуаций все еще преуспеет в разрушении червоточины в квантовой гравитации, но и что законы физики в конечном итоге предотвратят образование любого типа машины времени; это гипотеза защиты хронологии. [11]
Последующие работы по полуклассической гравитации предоставили примеры пространства-времени с замкнутыми времениподобными кривыми, где плотность энергии из-за флуктуаций вакуума не приближается к бесконечности в области пространства-времени за пределами горизонта Коши. [11] Однако в 1997 году было найдено общее доказательство, демонстрирующее, что согласно полуклассической гравитации, энергия квантового поля (точнее, математическое ожидание тензора квантовой энергии-импульса) всегда должна быть либо бесконечной, либо неопределенной на самом горизонте. [12] Оба случая указывают на то, что полуклассические методы становятся ненадежными на горизонте, и эффекты квантовой гравитации будут там важны, что согласуется с возможностью того, что такие эффекты всегда будут вмешиваться, чтобы предотвратить формирование машин времени. [11]
Определенное теоретическое решение о статусе гипотезы защиты хронологии потребовало бы полной теории квантовой гравитации [13] в противовес полуклассическим методам. Есть также некоторые аргументы из теории струн , которые, как кажется, поддерживают защиту хронологии, [14] [15] [16] [17] [18] но теория струн еще не является полной теорией квантовой гравитации. Экспериментальное наблюдение замкнутых времениподобных кривых, конечно, показало бы, что эта гипотеза ложна , но кроме этого, если бы у физиков была теория квантовой гравитации, предсказания которой были бы хорошо подтверждены в других областях, это дало бы им значительную степень уверенности в предсказаниях теории о возможности или невозможности путешествий во времени.
Другие предложения, которые допускают возможность путешествий во времени в обратном направлении, но предотвращают временные парадоксы , такие как принцип самосогласованности Новикова , который гарантирует, что временная шкала остается неизменной, или идея о том, что путешественник во времени попадает в параллельную вселенную , в то время как его исходная временная шкала остается нетронутой, не подпадают под категорию «защиты хронологии».