Тахионный антителефон: как отправить сообщение в прошлое и сломать Вселенную

От автора. Прежде чем вы нырнете в кроличью нору тахионов, петель времени и экзистенциального ужаса сломанной причинности, одно честное предупреждение. Эта статья написана в намеренно ироничном, местами откровенно издевательском тоне. Нет, не потому что автор не уважает Лоренца, Минковского и бедного Джеральда Фейнберга, который в 1967 году попытался серьезно обсудить частицы с мнимой массой покоя \(m^2 < 0\). Уважает, и еще как. Просто специальная теория относительности — предмет, от которого у неподготовленного читателя мозг норовит тихонько вытечь через ухо, а преобразование \(t’ = \gamma\!\left(t — \frac{vx}{c^2}\right)\) звучит как заклинание для вызова демонов на латыни. Ирония здесь не насмешка над физикой, а анестезия. Обезболивающее перед тем, как вам покажут, что время не река, а четырехмерная геометрия, в которой «потом» может оказаться «до». Если в какой-то момент вам покажется, что автор слишком вольно обращается с великими идеями, выдохните. За каждым «Вселенная смотрит с немым укором» стоит вполне конкретная статья в Physical Review и вполне конкретное условие \(vu > c^2\), при котором ваш сигнал летит в прошлое. Юмор это не замена строгости. Это просто способ не сойти с ума на пятой минуте размышлений о том, что вы можете получить ответ раньше, чем задали вопрос. Ну, поехали.

Глава 1. Тахионы: частицы, которых (наверное) нет

В 1967 году физик Джеральд Фейнберг предложил название для гипотетических частиц, которые всегда движутся быстрее света. Он назвал их тахионами (от греческого τάχος — «быстрый»).

Логика такая: обычная частица, вроде электрона или протона, имеет положительную массу покоя. Чтобы разогнать ее до \(c\), нужна бесконечная энергия. Фотон не имеет массы покоя и всегда летит ровно со скоростью \(c\) — не быстрее, не медленнее. А тахион? Тахион это странное зеркальное отражение: он не может замедлиться до скорости света. Он рождается быстрым и остается быстрым. Его «масса» в уравнениях получается мнимой — \(m^2 < 0\), что звучит как диагноз, но математически самосогласовано.

Проблема в том, что тахионы никогда не наблюдались. Ни в одном детекторе, ни в одном эксперименте, ни в одном подозрительном пике на графике. Но давайте на минуту представим, что мы их нашли. Завтра. В ЦЕРНе. В 9:47 утра, когда кто-то пролил кофе на пульт управления.

Вот тут и начинается веселье.

Глава 2. Относительность одновременности: главный фокус Вселенной

Чтобы понять, почему сверхсветовое движение — это катастрофа, нужно принять один неочевидный факт специальной теории относительности Эйнштейна:

Порядок событий, разделенных пространством, зависит от наблюдателя.

Что же это значит? Представьте две вспышки света: одна в Москве, другая во Владивостоке. Для наблюдателя, стоящего посередине, они произошли одновременно. Для пассажира самолета, летящего на восток, владивостокская вспышка произошла раньше. Для пассажира, летящего на запад, — позже. И все трое правы. Нет привилегированной системы отсчета, которая скажет: «Нет, ребята, на самом деле все вот так».

Пока события разделены так, что свет не успевает дойти от одного к другому (так называемые пространственноподобные интервалы), их порядок вопрос перспективы. Это не баг, не ошибка. Это фундаментальная структура реальности.

И вот теперь ключевой момент: если сигнал летит быстрее света, он соединяет именно пространственноподобные события. А значит, для некоторого наблюдателя этот сигнал летит назад во времени.

Прочитайте еще раз. Не «выглядит так, будто летит назад». А в его системе отсчета он объективно пришел раньше, чем был отправлен.

Глава 3. Тахионный антителефон: инструкция по уничтожению причинности

В 1970 году физик Грегори Бенфорд (тот самый, что потом напишет роман «Пейзаж времени») формализовал мысленный эксперимент, который в литературе называется «тахионным антителефоном» (tachyonic antitelephone). Иногда его приписывают еще Толмену, который описал аналогичный парадокс в 1917 году. Суть от этого не меняется.

Установка

Два наблюдателя: Алиса на Земле и Боб на космическом корабле, летящем от Земли со скоростью \(v\) (скажем, \(0{,}6\,c\)). У обоих есть тахионные передатчики, способные отправлять сигналы со сверхсветовой скоростью \(u > c\).

Сценарий

Шаг 1. Алиса отправляет Бобу тахионное сообщение: «Привет, Боб, как дела?» Сигнал летит быстрее света.

Шаг 2. Боб получает сообщение. В его системе отсчета все нормально, сигнал пришел после отправки. Но из-за относительности одновременности в системе отсчета некоторых других наблюдателей сигнал Алисы уже летел «в прошлое». Пока что катастрофы нет.

Шаг 3. Боб, обрадованный, мгновенно отвечает: «Привет, Алиса, все отлично!» Свой ответ он тоже отправляет тахионным передатчиком.

Шаг 4. И вот тут магия относительности складывается в нечто чудовищное. Боб движется относительно Алисы. Его система отсчета повернута в пространстве-времени. Тахионный сигнал, отправленный Бобом вперед в его времени, в системе отсчета Алисы приходит раньше, чем она отправила свое первое сообщение.

Алиса получает ответ «Привет, все отлично!» еще до того, как она сказала «Привет, как дела?».

Усложняем

А теперь Алиса решает: если я получила ответ до того, как задала вопрос, я могу задать другой вопрос. Или не задавать никакого. Она получает ответ Боба в 9:00, а свое сообщение планировала отправить в 9:05. В 9:01 она решает: «А, ладно, не буду отправлять». Но если она не отправит сообщение, Боб не получит его, не ответит на него, и в 9:00 никто не получит ответ. Но ответ уже получен. Значит, сообщение было отправлено. Значит, не надо было…

Петля замкнулась. Причинность умерла. Вселенная смотрит на вас с немым укором, а физика сделала вид, что вас не знает.

Глава 4. Математика катастрофы (без паники)

Для тех, кому нужна формула, а не метафора. В специальной теории относительности временна́я координата события при переходе между системами отсчета преобразуется так (преобразование Лоренца):

Если сигнал летит со скоростью \(u > c\), то за время \(t\) он покрывает расстояние \(x = ut\). Подставляем:

Если \(vu > c^2\), то скобка становится отрицательной, и \(t’ < 0\). В системе Боба событие приема происходит раньше события отправки. Никакой магии, никакой квантовой мистики. Просто геометрия Минковского делает свое дело.

Условие \(vu > c^2\) выполняется легко: если Боб летит со скоростью \(0{,}6\,c\), а тахионный сигнал летит со скоростью \(2c\), то \(vu = 1{,}2\,c^2 > c^2\). Готово. Антителефон собран.

Глава 5. Почему Вселенная этого не допустит (или допустит, но вам не понравится)

Физики за столетие придумали несколько способов спасти реальность от тахионного антителефона. Ни один из них не является утешительным.

Вариант 1: Тахионов не существует. Самый простой и, на текущий момент, единственный подтвержденный вариант. Ни один эксперимент не зафиксировал сверхсветовых частиц. В 2011 году коллаборация OPERA заявила, что нейтрино летят быстрее света, и ученые чуть ли не сошли с ума. Потом выяснилось, что кто-то плохо закрепил оптоволоконный кабель, который выдавал ошибку. Вселенная выдохнула.

Вариант 2: Тахионы существуют, но не переносят информацию. Некоторые квантовополевые теории допускают тахионные моды как признак нестабильности вакуума, а не как реальные летящие частицы. Они не могут передать сигнал. Вы можете кричать в тахионный телефон сколько угодно, но на другом конце будет только шум.

Вариант 3: Принцип самосогласованности Новикова. Игорь Новиков предположил, что Вселенная просто не допустит парадоксальных начальных условий. Вы физически не сможете не отправить сообщение, если ваш ответ из будущего зависит от его отправки. Свобода воли? Нет, не слышали. Вы марионетка причинности, и ниточки держит геометрия.

Вариант 4: Хронологическая защита Хокинга. Стивен Хокинг предположил, что законы физики устроены так, чтобы не допускать путешествий в прошлое. «Иначе, — говорил он, нас бы уже наводнили туристы из будущего». Аргумент не строгий, но элегантный.

Вариант 5: Все ломается. Причинность не абсолютна, а локальна. На макроуровне мы видим последовательность, но на глубинном уровне Вселенная это кипящий суп корреляций без выделенного направления времени. Тахионный антителефон не «ломает» реальность, а демонстрирует, что наше представление о «до» и «после» просто удобная иллюзия. Неприятный вариант. Философы такое очень любят. Физики — нет.

Глава 6. А если бы мы все-таки отправили сообщение в прошлое?

Допустим, мы нашли тахион. Допустим, собрали антителефон. Допустим, Алиса отправила себе в прошлое сообщение: «Не покупай акции компании «Тахионные Технологии», они обанкротятся».

Что произойдет?

Если верить Новикову: Алиса не сможет не купить акции. У нее задрожит рука, отвлечет кот, сломается терминал ровно в момент продажи, но цепь причинно-следственных связей замкнется самосогласованно. Сообщение будет отправлено, потому что было получено, потому что было отправлено. Конечно, это петля. Бессмысленная, но непротиворечивая.

Если верить «многомировой» интерпретации: в момент получения сообщения Вселенная расщепится. В одной ветке (вашей изначальной) вы так и остались с убытками — именно этот «вы» в отчаянии нажимал кнопку тахионного передатчика. В соседней ветке другая версия вас получает предупреждение, не покупает акции и богатеет. Парадокса нет, но и спасителя не наградили. Вы просто подарили счастливую жизнь своей копии, а сами остались сидеть в своей реальности, где все так же плохо.

Если верить наивному сценарию: причинность рвется. И тогда у нас нет физики. Нет уравнений и нет предсказаний. Нет науки. Потому что наука — это «если А, то Б». А если Б может произойти без А, или А может произойти из Б, которое еще не случилось, то… у нас нет слов. У нас нет логики. У нас тахионный суп.

Глава 7. Скорость света как несущая стена

Вернемся к исходной метафоре. \(c = 299\,792\,458 \text{ м/с}\) — это не ограничение скорости. Это несущая стена здания причинности.

Вы можете спрашивать: «А почему нельзя просверлить в несущей стене дырку для розетки?» Можно. Один раз. А потом потолок третьего этажа окажется у вас на кухне.

Скорость света — это не «самое быстрое, что можно». Это граница, внутри которой имеет смысл слово «потом». Пока вы не превышаете \(c\), события выстраиваются в цепочку, прошлое отделено от будущего, причина предшествует следствию. Вы можете строить планы, помнить вчерашний день, ожидать завтрашний.

Превысьте \(c\) — и «потом» теряет смысл. Не становится сложнее вычислить. Не становится менее удобным. Перестает существовать как физическая категория. И тогда вопрос «что было раньше — яйцо или курица?» перестает быть шуткой и становится единственным осмысленным вопросом. Потому что все остальные вопросы теряют структуру.

Эпилог: благодарите фотон

Так что в следующий раз, когда вы будете раздражаться на ограничение скорости — не на трассе, а в ткани мироздания, вспомните:

Без него вы не сможете не только отправить сообщение в прошлое. Вы не сможете быть. Потому что «вы» — это последовательность причин и следствий, цепочка химических реакций, каждая из которых случилась после предыдущей. Уберите «после», и вы не человек. Вы набор атомов, не знающий, что он набор атомов, потому что «знать» требует времени, а времени больше нет.

Скорость света это не тюрьма, а скелет. И вы прямо сейчас сидите внутри него и читаете эти строки.

Спасибо, фотон. Спасибо, что летишь ровно \(299\,792\,458\) метров в секунду и ни метром больше. Держи строй. Не подведи.

Мы все на тебя рассчитываем.

—

P.S. Если вы все-таки нашли тахион — не пишите мне об этом. Я получу ваше сообщение завтра, а прочту вчера, и мне будет очень неловко отвечать на письмо, которого еще не существует.

—

Литература для тех, кто хочет страдать дальше:

• Benford G. A., Book D. L., Newcomb W. A. The Tachyonic Antitelephone // Physical Review D. 1970. Vol. 2. P. 263–265.
• Tolman R. C. The Theory of the Relativity of Motion. 1917.
• Novikov I. D. The River of Time. Cambridge University Press, 2001.
• Feinberg G. Possibility of Faster-Than-Light Particles // Physical Review. 1967. Vol. 159. P. 1089–1105.
• Hawking S. W. Chronology Protection Conjecture // Physical Review D. 1992. Vol. 46. P. 603–611.

—
Иллюстрации и инфографика: автора и нейросети, которая пока не научилась генерировать промпты в прошлое. Ни один фотон при создании картинок не пострадал и не превысил скорость света. Все изображения распространяются по свободной лицензии CC BY-SA 4.0

Присоединяйтесь к нам в соцсетях