Возможность вечной жизни с точки зрения теории относительности

С точки зрения повседневного собственного опыта, законы физики окажутся против вас, если вы когда-нибудь надеетесь достичь бессмертия.

С термодинамической точки зрения каждая система имеет тенденцию к увеличению энтропии и беспорядка, и единственный способ борьбы с этим — постоянное введение внешнего источника энергии; другими словами, ваше тело и разум в конечном итоге сломаются. И хотя вы можете попытаться использовать силу относительности, чтобы растянуть время и замедлить его течение, с вашей индивидуальной точки зрения это никогда не сработает; время только расширяется или замедляется относительно наблюдателя в системе отсчета, отличной от вашей.

Хотя это может ограничить человеческую мечту о бессмертии решениями, основанными на технологических усовершенствованиях или технологиях научно-фантастического уровня, основанных на новых физических законах и/или явлениях, теория относительности все еще может многое рассказать о вечной жизни.

И, несмотря на то, что многие из нас, живущих сегодня, наверняка умрут в нынешнем столетии, если мы все останемся на Земле, уроки как специальной, так и общей теории относительности учат нас, что есть несколько физических ситуаций, к которым нам следует стремиться, если мы действительно хотим максимизировать количество времени, которое мы можем провести как живые существа в нашей Вселенной. Вот ключевая идея, которую мы все должны понять.

Основа теории относительности: пространство-время

Несмотря на то, что обычно мы приписываем Эйнштейну преодоление разрозненных представлений о пространстве и времени, господствовавших со времен Ньютона, и разработку революционной концепции четырехмерной структуры, которая сплетает их оба воедино — пространства—времени, — это вовсе не Эйнштейн пришел к этому ключевому пониманию. Это правда, что 1905 год действительно был знаменательным годом для Эйнштейна, и тогда были сделаны два ключевых открытия, которые легли в основу специальной теории относительности:

• Что законы физики инвариантны или не меняются во всех неускоряющихся системах отсчета.
• И что скорость света в вакууме c одинакова для всех наблюдателей, независимо от их движения или движения рассматриваемого источника света.

Хотя этих прозрений Эйнштейну было достаточно, чтобы построить структуру, содержащую специальную теорию относительности, включая явления сокращения длины и замедления времени, наблюдаемые разными наблюдателями, и относительность понятия “одновременности”, это не обязательно ставило пространство и время на одну доску друг с другом.

Человеком, который сделал это, возможно по иронии судьбы, был бывший профессор Эйнштейна Герман Минковский, который, опираясь на работу своего бывшего студента, объединив пространство и время в единую четырехмерную сущность: пространство-время.

Знаменитая цитата Минковского, произнесенная в лекции менее чем за год до его безвременной кончины в молодом возрасте 44 лет из-за острого случая аппендицита, гласит:

«Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить вам, возникли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены раствориться в простых тенях, и только своего рода союз того и другого сохранит независимую реальность».

Впечатляющее открытие Минковского заключалось в том, что, хотя ни время, ни пространство не были инвариантными (то есть не менялись) при релятивистских преобразованиях, существовала величина, которая оставалась инвариантной: пространственно-временной интервал, или, как Минковский назвал его, «интервал Эйнштейна».

Он показывает, что хотя ваше движение в пространстве и времени по отдельности может принимать любое значение — от полного отсутствия движения до скорости света, разница между вашим движением во времени (в квадрате) и вашим движением в пространстве (в квадрате) всегда останется неизменным. Это ключевое осознание привело к формулировке пространства-времени как ключевой важной физической величины, которую следует учитывать, и она останется таковой даже спустя годы: когда на сцену выйдет гравитация.

Специальная теория относительности научила нас кое-чему глубокому о времени: относительно некоторого наблюдателя, который остается в состоянии покоя, тот, кто садится в космичекий корабль и путешествует со скоростью, близкой к скорости света, по возвращении к наблюдателю, который остался в состоянии покоя, обнаружит, что:

• преодолел гораздо большее расстояние в космосе,
• а также путешествовал во времени гораздо меньше.

Это согласуется со всем, чему должен был научить нас Эйнштейн (и Минковский), и наиболее ярко иллюстрируется так называемым парадоксом близнецов, когда близнец, который приближается к скорости света (и меняет свою систему отсчета), ощущает течение времени медленнее, чем близнец, который остался дома.

Но когда теория относительности рассматривалась не просто в частном случае плоской, пустой Вселенной, а в более реалистичном случае Вселенной, наполненной материей и энергией, включая массивные источники материи, которые слипались вместе, пространство-время необходимо было обобщить. Вместо упрощенного плоского пространства-времени, предложенного Минковским, необходимо было бы создать совершенно новую теорию:

такую, где пространство и время все еще были сплетены в ткань, которая все еще содержала аналогичный инвариантный интервал,

но такую, где само пространство-время могло искривляться (и развиваться) из-за присутствия и распределения всей материи и энергии внутри него.

Опять же, чем быстрее вы перемещаетесь в пространстве, тем медленнее вы ощущаете течение времени по сравнению с тем, кто остается в покое, но на этот раз есть некий поворот. Как будто чем сильнее искривлено пространство, которое вы занимаете, тем сильнее искривляется и течение времени, точно таким же образом «одно увеличивается, другое уменьшается». Вот почему время течет с разной скоростью в зависимости от вашей высоты и почему ваша голова (которая находится дальше от центра Земли и в области немного меньшей кривизны пространства-времени) стареет быстрее, чем ваши ноги.

Солнечный зонд Паркер, который подошел к наибольшей массе в нашей Солнечной системе (Солнце) ближе, чем любой другой объект, в настоящее время является наиболее асинхронным объектом по отношению к Земле с точки зрения гравитационного замедления времени.

Но уроки обобщенной версии специальной теории относительности — общей теории относительности, включающей гравитацию, выходят далеко за пределы нашей Солнечной системы. Она учит нас, что чем массивнее объект и чем ближе вы к нему подходите, тем сильнее и сильнее искривляется пространство и время. При самом экстремальном сценарии, прямо за горизонтом событий черной дыры, для вас практически не пройдет времени, в то время как остальная внешняя Вселенная продолжит стареть как обычно.

Физика бессмертия

Это открывает два разных реалистичных маршрута для знакомства с далеким будущим Вселенной, с точки зрения течения космического времени, в течение одной нормальной, нерасширенной человеческой жизни. Итак:

1. Вы можете попытаться максимально приблизиться к скорости света, понимая, что чем ближе вы подойдете к пределу скорости cвета, тем больше будет разница между тем, как вы воспринимаете время, и тем, как наблюдатель, остающийся в покое, испытывает время.
2. Вы можете попытаться «нырнуть» как можно глубже в гравитационное поле, где кривизна пространства-времени наиболее сильна, не пересекая «точку невозврата» (т. е. горизонт событий), и чем дольше вы остаетесь там, тем больше будет разница между тем, как вы ощущаете время, и тем, как человек, находящийся далеко за пределами гравитационного влияния, которому вы поддаетесь, будет ощущать время.

Первый опирается только на специальную теорию относительности и может быть проиллюстрирован удивительно простым способом: представьте, что вы попадаете в космический корабль, способный непрерывно ускоряться с тем, что мы называем «1 g», или с ускорением, обеспечиваемым гравитацией Земли: 9,8 м/с^².

В полете, по мере увеличения вашей скорости вы обнаружите, что время течет для вас почти с той же скоростью, что и для любого внешнего наблюдателя, и что вы приближаетесь к скорости света, но так и не достигаете ее.

Но по мере того, как вы приближаетесь к скорости света — и когда релятивистские эффекты начинают доминировать над обычными ньютоновскими — все космическое будущее начинает проходить мимо вас.

Примерно через 10 лет ускорения в 1 g вы обнаружите, что движетесь невероятно близко к скорости света относительно вашего окружения: путешествуете со скоростью 299 792 457 м/с, или всего на 1 м/с меньше скорости света.

Ваш космический корабль уже пролетел более 10 световых лет (но меньше 15), но на Земле прошло более 20 лет. И эта разница только усиливается по мере того, как вы продолжаете ускоряться, особенно на высоких скоростях.

За 20 лет на вашем корабле вы пройдете более 100 световых лет (потому что длина сокращается), а на Земле пройдут сотни лет (потому что время замедляется).

Через 30 лет вы преодолеете тысячи световых лет, а на Земле пройдет почти 10 000 лет.

Через 50 лет вы преодолеете сотни тысяч световых лет, а на Земле пройдут миллионы лет.

А через 100 лет, если предположить, что вы проживете так долго, вы пройдете сотни миллиардов световых лет (больше, чем наблюдаемая Вселенная), а сотни миллиардов или даже триллионы лет (дольше, чем нынешний возраст Вселенной) прошли для наблюдателя на (уже разрушенной) Земле.

С другой стороны, если вы не хотите идти по пути путешествия, максимально приближенного к скорости света, возможно, потому, что вы изучили физику и понимаете, что для поддержания такого ускорения требуется невероятно большая энергия, есть еще один физический вариант исследования: войти в окрестности черной дыры.

Чем глубже и глубже вы погружаетесь в потенциальный колодец черной дыры (и это верно независимо от того, не вращается ли ваша черная дыра, вращается медленно или вращается почти со скоростью света), тем ближе вы подойдете к горизонту событий, и тем сильнее вы обнаружите, что пространство-время искривлено.

Когда вы войдете в эти области все более серьезной кривизны, вы не почувствуете никаких изменений для себя; время по-прежнему будет течь как обычно, и единственные физические изменения, которые вы испытаете, будут двоякими:

• это будет выглядеть так, как будто пространство «тянет вас внутрь» к центральной сингулярности, и вам придется запускать свои ракетные двигатели со все возрастающей силой, чтобы бороться с этим импульсом.
• и гравитационные приливные силы, действующие на вас — то есть силы «разрыва», которые притягивают каждую часть вас к одной и той же сингулярной точке — будут увеличиваться.

Но пока вы проводите время, борясь с гравитационным притяжением черной дыры, вы также проводите время в этой невероятно, сильно искривленной области пространства-времени: где эта сильная кривизна означает, что время для вас течет совсем по-другому по сравнению с внешним миром.

Чем больше времени вы проводите там и чем ближе вы проводите время к горизонту событий, тем больше вы усугубляете разницу между вашим представлением о времени и течением времени для внешней Вселенной.

Если эта история звучит знакомо, возможно, это потому, что это сюжетная линия фильма «Интерстеллар», где путешествие вглубь черной дыры (или ее сквозного аналога: червоточины) заставляет время течь с разной скоростью для тех, кто отправляется в путешествие, и тех, кто остается дома.

В самых экстремальных случаях, вплоть до горизонта событий, но только за его пределами, всего лишь секунды для вас могут соответствовать миллиардам лет для внешней Вселенной. Эффект гравитационного замедления времени может быть экстремальным сразу за краем горизонта событий в общей теории относительности.

Это изображение черной дыры, ставшее знаменитым благодаря фильму «Интерстеллар», показывающее ее с ребра по отношению к ее аккреционному диску в сильно искривленном пространстве-времени, демонстрирует значительную способность черной дыры изгибать пространство-время. Близко к горизонту событий, но все еще за его пределами, время течет с совершенно иной скоростью для наблюдателя в этом месте, чем для наблюдателя, находящегося далеко и за пределами основного гравитационного поля.

Но даже используя эти трюки, даже в максимально возможной физически степени, это все равно не позволит вам ощутить течение бесконечного количества времени.

В случае перемещения со скоростью, близкой к скорости света, ваше движение в пространстве приведет к тому, что вы неизбежно столкнетесь с фоновым излучением из-за существования темной энергии: и это излучение всегда будет оказывать своего рода тормозной эффект, который помешает вам достичь действительно произвольных скоростей.

Точно так же черные дыры в конечном итоге испарятся из-за исходящего от них излучения Хокинга, вызывая их распад и приводя к разрушению вашего сильно искривленного пространства-времени.

В конце концов, восприятие этой Вселенной любым наблюдателем все равно будет конечным, так же как конечно и количество времени, в течение которого вы можете существовать в ней.

Но хотя физика неизбежно может помешать вам жить вечно, она предлагает два отличных способа продлить вашу жизнь до максимально возможной степени:

• двигаться как можно быстрее через ткань пространства-времени, используя эффекты специальной теории относительности и релятивистского замедления времени,
• или подойти как можно ближе к горизонту событий черной дыры, используя эффекты искривления пространства-времени и гравитационного замедления времени.

Пока известные законы физики остаются верными, эти методы могут быть самым реальным способом достижения бессмертия, которое может испытать любое существо во Вселенной.