Теории перемещения во времени

Существует множество теорий о путешествиях во времени. В Steins;Gate используется теория черной дыры, с помощью которой в прошлое отправляются воспоминания человека (2,5 петабайта), сжатые до 36 байт, которые может отправить Мобиловолновка.

В визуальной новелле Курису рассказывает, что существует много различных теорий, но научное сообщество принимает только 11 из них:

1. Теория нейтронной звезды
2. Теория чёрной дыры
3. Теория скорости света
4. Тахионная теория
5. Теория кротовых нор
6. Теория экзотической материи
7. Теория космических струн
8. Теория квантовой гравитации
9. Теория о лазерном луче и атоме цезия
10. Теория элементарных частиц и кольцевом лазере
11. Теория античастиц Дирака

## Теория нейтронной звезды

Нейтронная звезда – это звезда, средняя плотность которой в несколько раз превышает плотность атома (масса сравнима с массой Солнца, а радиус составляет несколько десятков километров). Из-за своей большой массы вокруг них образуется сильное гравитационное поле. Общая теория относительности говорит нам, что чем больше гравитация, тем медленнее течёт время, то есть на теоретическом космическом корабле около такой звезды время будет течь медленнее чем на Земле. Эта теория позволяет путешествовать только в будущее.

## Теория черной дыры

Черные дыры самое популярное средство путешествий во времени в научной фантастике после кротовых нор. В Steins;Gate используются Черные дыры Керра, теоретическое существование которых доказал Рой Керр. Черная дыра Керра обладает угловым моментом вращения и не имеет электрического заряда, а также в её центре находится кольцевая сингулярность. Она имеет два горизонта событий, и соответственно время и пространство изменяется дважды. В теории, можно пересечь сингулярность, но выйти тем же путем которым вошли не получится или просто не попасть в неё. Если пересечь сингулярность, то скорей всего вы окажетесь в “отрицательном пространстве” (определение всё ещё не до конца определено). Если избежать её, то вы вернётесь к моменту, когда пересекли первый горизонт событий. Возможно, процесс гелефикации является как раз результатом пересечения сингулярности.

## Тахионная теория

Тахион – это гипотетическая частица, которая в состоянии покоя движется со скоростью света. Так как тахионы движутся быстрее скорости света, то в теории с помощью них можно передавать информацию в прошлое. Основная проблема доказательства существования этой частицы – это нарушения принципа причинности. Если отправить тахион на какую-то отражающую поверхность, то отразившись, он прибудет на место отправки быстрее чем отправится. Так же с помощью него можно вызвать парадокс убитого дедушки, что приводит к логическим проблемам.

Но не смотря на все теоретические проблемы попытки найти эту частицу предпринимались. В сентябре 2011 года ЦЕРН объявили, что тау-нейтрон удалось разогнать быстрее скорости света. Но, как оказалось, это была лишь ошибка датчиков.

## Теория скорости света

Теория относительности говорит нам, что при приближении скорости объекта к скорости света, его время замедляется относительно покоящегося объекта. Этот эффект называется релятивистское замедление времени и его нельзя считать настоящим путешествием во времени, так как это лишь одни из эффектов в теории относительности.

## Теория кротовых нор

В визуальной новелле, теорию кротовых нор объяснила Курису во время своей лекции.

*–“Давайте рассмотрим теорию кротовых нор. Я думаю, это более реалистично чем, теория космических струн. Итак, Хооуин-сан, вы знаете, что такое кротовая нора?”*

-Макисе Курису, первая глава новеллы
*–“Это проход сквозь пространство… верно?”*

-Окабе Ринтаро, первая глава новеллы
*–“Да, правильно. Есть две дыры, соединенные туннелем. Время прохождения через него равно нулю вне зависимости от его длинны.”*

*–“Но не всё так просто. Червоточина подвергается супергравитации и схлопывается, как только туннель открывается. Поэтому нам нужно что-то, чтобы компенсировать эффект гравитации.”*

*–“Экзотическая материя. Это вещество с отрицательной массой, и гравитация действует на него по-другому.”*

*–“Представим, что кротовая норма сжимается невидимым кулаком. Чтобы пройти через неё нужно что-то, чтобы противостоять “сжимающей силе” моего кулака, чтобы я не могла его больше сжимать.”*

*–“Использование экзотической материи стабилизирует объект, и прохождение туннеля станет возможным. Представьте, что вход в кротовую нору в Акихабаре, а выход в Лос-Анджелесе. Теперь представьте, что дыра в Лос-Анджелесе проходит и возвращается с конца Вселенной со скоростью, близкой к скорости света. Согласно теории относительности, время замедляется для объектов, движущихся со скоростью света. Значит, мы может считать, что дыра, вернувшаяся в Лос-Анжелес, будет в прошлом. И благодаря этому Хооуин-сан может войти в кротовую нору и выйти из неё в Лос-Анджелесе за несколько лет до того, как он туда вошел. Однако, сейчас мы не можем назвать это ничем кроме как псевдо-путешествием во времени или релятивистским замедлением времени. Важным шагом является возвращение в кротовую нору в Лос-Анджелес. Тогда время прохождения туннеля будет равно нулю и Хооуин-сан появится в Акихабаре в то же время, в которое он войдёт в дыру в Лос-Анджелесе. Путешествие во времени завершится. Условия для теории кротовых норм выполнить проще, чем для теории космических струн. 1) Собственно кротовые норы. Они должны быть где-то во Вселенной, но никто их не видел. 2) Энергия, чтобы заставить нору двигаться со скоростью, близкой к скорости света, до конца Вселенной и обратно. 3) Подтвердить существование экзотической материи.”*

-Макисе Курису, первая глава новеллы
## Теория экзотической материи

Экзотическая материя, как уже было сказано в описании теории кротовых нор, может иметь отрицательную массу. Но, так как существование экзотической материи до сих пор не подтверждено, отрицательная масса так же остаётся только гипотетическим фактом.

## Теория космических струн

Теория космических струн так же, как и Теория кротовых нор, была описана Курису

–*“Космическая струна – это похожая на струну, тонкая щель огромной массы. Диаметр космических струн гораздо меньше, чем элементарная частица, а длинной они с небольшую галактику.”*

–*“Космическая струна очень массивна, и поэтому может искажать пространство-время. Если вы попытаетесь сделать полный оборот внутри искажения, вы повернётесь менее чем на 360 градусов.”*

–*“Другими словами, ваше действие будет напоминать искривление… Это называется пространственно-временным дефицитом угла. В связи с потерей угла, если объект пройдёт некую зоне с дефицитом угла, то время, прошедшее для этого объекта, будет равно нулю.”*

–*“Если это предположение верно, тогда космическая струна движется со скоростью, близкой к скорости света. Тогда, согласно теории относительности, время космической струны течёт медленнее относительно других объектов. При прохождении через искажённые дефицитом угла зоны время прохождение, изначально равное нулю, станет отрицательным. Таким образом, после прохождения вы окажетесь в прошлом. При использовании двух космических струн, прыжок пространственного дефицита становится возможен. Если объект внутри пространственного дефицита путешествует вперёд, а затем возвращается на то же место, то он вернётся в то же время, откуда началось путешествие. Это грубое объяснение путешествия во времени, основанное на теории космических струн.”*

–*“Для предотвращения недоразумений я должна заметить, что теория космических струн и теория суперструн – разные вещи. Итак, чтобы путешествие во времени с помощью космических струн стало возможно, должны выполняться 3 условия: 1) две космические струны. Ох, кстати говоря, гипотетически, они существуют только в том месте пространства, где Вселенная была сформирована, так что их трудно обнаружить. 2) даже если вы нашли их, вам нужно заставить их двигаться со скоростью близкой к скорости света. Интересно, сколько же энергии нужно, чтобы заставить двигаться щель длиной в галактику со скоростью света… Я уверена, что больше, чем 1.21 джигаватт. 3) космический корабль, способный добраться до космической струны. Эти условия должны быть выполнены.”*

## Теория о лазерном луче и атоме цезия

Эта теория основана на эксперименте Лиджуна Вонга в Принстоне (США). Его результат состоит в том, что световой импульс, входящий в камеру, наполненную парами цезия, увеличивает свою скорость в 300 раз. Получилось, что главная часть импульса выходит из дальней стенки даже раньше, чем он входит в камеру через переднюю стенку. Когда импульс дошел до дальней стенки, он уже успел пройти 19 метров за ней. Но, таким образом не получится передать информацию в прошлое, так как свет имеет волновую природу и в данном эксперименте распространяется как монохроматическая волна с фазовой скоростью, которая нередко превышает скорость света. Такие волны не могут быть изменены так, чтобы нести какую-либо информацию. Но, тем не менее, подобные исследования всё же проводятся, так как в специальной теории относительности нет строго ограничения на скорость сигналов, но фундаментальным образом она ограничивается принципом причинности.

В эксперименте Вонга (Dr. Lijun Wang) *измеряли время, необходимое импульсу света, чтобы пройти через специально подготовленную камеру длиной 6 см, содержащую газообразный цезий. Световой импульс длительностью 3 микросекунды обычно проходит через камеру в вакууме всего за 0,2 наносекунды. Но при прохождении через специально подготовленную камеру свет появился на 62 наносекунды раньше, чем если бы он прошел через камеру в вакууме*. Статья с детальным описанием эксперимента на optics.org Тем не менее, результат является следствием аномального показателя преломления среды и не может быть использован для передачи сигнала (если математично, то для передачи электромагнитными волнами сигнала необходимым условием является отсутствие аналитичности у степ-функции Хевисайда, в данном случае, она (аналитичность) не меняется). Также учёные отмечают, что изменение фазовой скорости не является изменением скорости передачи энергии.

Данный опыт породил не только волну публикаций на околонаучных и конспирологических форумах (пример ), но и серию упоминаний в масс-медиа. Например, статья BBC NEWS вышла с заголовком "Луч преодолевает световой барьер" (Beam smashes light barrier), а статья The Guardian была и вовсе озаглавлена как "Свет путешествует назад во времени" (Light goes backwards in time). Несмотря на громкие заголовки, в обеих статьях всё же было указано, что, по мнению большинства ученых, нарушения принципа причинности в опыте не наступает. Кроме того BBC News ссылается на аналогичный опыт, сделанный итальянскими физиками ранее в этом же 2000 году, где использовался **микроволновый** луч: *a team of physicists made a microwave beam travel 7% faster than light speed.* Вероятно, BBC News имела ввиду работу физиков D. Mugnai, A. Ranfagni, and R. Ruggeri под названием "Observation of Superluminal Behaviors in Wave Propagation", вышедшую в Physical Review Letters (researchgate)

Работа Вонга была опубликована в Nature под названием "Gain-assisted superluminal light propagation" (L. J. Wang, A. Kuzmich & A. Dogariu ).

Кроме того, нельзя не отметить, что до опыта L.J.Wang (цезиевый лазер) и опыта D.Mugnai (микроволны) в 1999 году появилась работа G. Nimtz под названием "Evanescent modes are not necessarily Einstein causal" (опубликована в журнале II. Physikalisches Institut, Universität Köln, Germany), в которой он утверждал, что смог закодировать сигнал, содержащий 40-ю симфонию Моцарта, и передать сигнал посредством **микроволн** со скоростью 4,7 световых скорости (фактически, назад во времени). Несмотря на это, большинство ученых считает, что Nimtz ошибается в интерпретации результатов своего эксперимента, и в его эксперименте только фазовая скорость микроволн была равна 4,7 световой скорости, в то время как скорость передачи сигнала микроволнами была равна световой (то есть сигнал всё же не шёл назад во времени).

На эту тему есть отличная книга "Fast Light, Slow Light and Left-Handled Light" (PDF) за авторством P. W. Milonni, в которой описываются опыт с цезиевым лазером L.J.Wang, опыт со "сверхсветовым" микроволновым сигналом G.Nimtz, и еще огромное число разных опытов с электромагнитными волнами. В книге содержится чудовищной сложности зубодробительный матан со всеми выкладками. Совсем же кратко, аномальные скорости света возникают в средах с аномальной дисперсией (показателями преломлнения). Используя "школьную" формулу связи показателя преломления и скорости света в среде, можно добиться а) нулевой б) отрицательной в) сверхсветовой г) бесконечной "скорости света" в таких средах, как, например, пары цезия или метаматериалы (Википедия). На самом деле, дело в том, что 1) "школьная" формула является упрощением, применимым для "обычных сред", таких как вода или воздух, а в случае с парами цезия расчёты становятся сложнее; 2) при аномальной дисперсии меняется фазовая скорость, тогда как скорость распространения энергии и скорость передачи сигнала остаётся прежней.