Новая теория опровергает возможность путешествий во времени

Каждый раз, когда свет взаимодействует с материей, кажется, что он замедляется. Однако общая теория относительности предполагает, что падающий свет испытывает ускорение и, следовательно, может меняться со временем. Принимая во внимание это ускорение в волновой механике, исследователи в новом исследовании предполагают, что однонаправленная стрела времени является общим и фундаментальным свойством природы, которое невозможно обратить вспять. Таким образом, путешествие во времени невозможно.

Скорость света (299 792 458 метров в секунду) является одной из важнейших констант природы. Поэтому в современной физике ее значение принято считать строго постоянным. Однако при взаимодействии света с веществом, например при прохождении через стакан с водой или кристалл, скорость света как бы замедляется. С другой стороны, падающий свет, соприкасаясь с границей раздела, логично испытывает ускорение, которое до сих пор не учитывалось в большинстве физических уравнений. Эти различные наблюдения породили ряд дискуссий о том, следует ли рассматривать физические характеристики света как переменные.

Предположив, что скорость волны может меняться со временем, исследователи разработали новое уравнение, известное как «уравнение ускоряющейся волны», которое, возможно, положит конец этим дебатам. Ведущий автор исследования Матиас Койвурова из Университета Темпере (Восточная Финляндия) поясняет: «Я нашел очень интересный способ вывести стандартное волновое уравнение в 1+1 измерении. Единственное предположение, которое мне потребовалось, — это то, что скорость волны постоянна. Затем я подумал: а что, если она не всегда постоянна? Оказалось, что это очень хороший вопрос«.

Однонаправленная стрела времени?

Сначала найденные исследователями решения казались бессмысленными, пока они не поняли, что они просто ведут себя релятивистски. Это примерно тот же эффект контраста, что и между гипотетическими космическими путешественниками, у которых восприятие времени и расстояния будет отличаться от земных наблюдателей. Чтобы получить решения, согласующиеся с этим принципом, было решено рассматривать постоянную скорость отсчета — скорость света в вакууме.

Расчеты показали, что в предположении, что волны могут ускоряться, существует вполне определенное одностороннее направление времени. Другими словами, уравнение ускоряющейся волны допускает только те решения, в которых время течет только вперед, но не в обратную сторону. С термодинамической точки зрения увеличение энтропии показывает, в каком направлении движется время. Если предположить, что время может двигаться в обратном направлении, то энтропия уменьшается до своего минимального уровня, после чего она может снова увеличиваться.

Однако энтропия применима только к большим системам и не распространяется на отдельные частицы (по крайней мере, в соответствии с нашими современными знаниями). Однако «мы ожидаем, что отдельные частицы будут вести себя так, как если бы у них было фиксированное направление времени«, — предполагает Койвурова. А если учесть, что ускоряющие волны могут быть получены из геометрических соображений, то они будут переносимы на поведение всех форм волн (например, электромагнитных). Это означает, что уникальное направление времени является общим и неизменным свойством природы, что делает путешествия во времени невозможными.

Положим конец давнему спору?

Помимо вопроса о направлении времени, уравнение ускоряющейся волны может иметь важные последствия для одного из самых известных споров в физике — спора Абрахама-Минковского. В частности, речь идет о том, что происходит с импульсом света при его прохождении через среду. Если Минковский утверждал, что он увеличивается, то Абрахам предполагал обратное. И хотя эти две гипотезы противоречили друг другу, они обе наблюдались экспериментально.

В свою очередь, финские исследователи предполагают, что при движении волны по геодезической линии ее энергия и импульс сохраняются за счет релятивистского эффекта. Кроме того, если рассматривать искривленную геометрию пространства-времени, то при движении волна приобретает энергию, даже если ее импульс остается постоянным. В этом контексте ускоренные волны испытывают замедление времени, уменьшаясь в длине. С точки зрения удаленного наблюдателя этот эффект сжатия создаст иллюзию того, что импульс в веществе не сохраняется.

Новая теория также имеет отношение к так называемым «изменяющимся во времени материалам». Одним из таких материалов является гипотетический неупорядоченный фотонный кристалл времени, в котором волна замедляется экспоненциально по мере увеличения ее энергии. Перемещение волн через такой материал не может быть представлено стандартными волновыми уравнениями, а может быть смоделировано с помощью уравнений ускоряющихся волн.

«Наш формализм показывает, что наблюдаемое изменение энергии импульса связано с искривлением пространства-времени, которое претерпевает импульс. В таких случаях энергосбережение локально нарушается«, — заключает Марко Орниготти из Университета Тампере, соавтор исследования, опубликованного в журнале Optica.