Кіріспе

Математикалық физикада, жабық уақыт тәрізді қисық (CTC) — Лоренцтік көпқырлыдағы, уақыт-кеңістіктегі материалдық бөлшектің өзінің бастапқы нүктесіне оралатын әлемдік сызығы. Бұл мүмкіндікті алғаш 1937 жылы Виллем Якоб ван Стокум ашқан, ал кейіннен 1949 жылы Курт Гёдель растады, ол жалпы салыстырмалылық теориясының (GR) теңдеулеріне КТК-ге мүмкіндік беретін шешім тапты, бұл Гёдель метрикасы деп аталады. Содан бері КТК-ні қамтитын басқа да GR шешімдері табылды, мысалы, Типлер цилиндрі және өтілетін құрт тесіктері. Егер КТК-лер болса, олардың болуы кем дегенде уақытты кері саяхаттаудың теориялық мүмкіндігін білдіреді, бұл әже парадоксының көрінісін тудырады, бірақ Новиковтың өзіндік сәйкестік принципі мұндай парадокстардан қашуға болатынын көрсетеді. Кейбір физиктер GR-ді алмастыратын болашақ кванттық гравитация теориясы GR-де пайда болатын КТК-лерді жоққа шығаруы мүмкін деп болжайды, бұл идеяны Стивен Хокинг хронологияны қорғау болжамы деп атады. Басқалары, егер белгілі бір уақыт-кеңістіктегі әрбір жабық уақыт тәрізді қисық оқиғалар көкжиегі арқылы өтіп жатса, онда хронологиялық цензура деп аталатын қасиет, содан кейін оқиғалар көкжиегі алынып тасталған уақыт-кеңістік себеп-салдарлық жағынан жақсы сақталатын болады және бақылаушы себеп-салдарлық бұзушылықты байқамауы мүмкін.

Жеңіл конустар

Жалпы салыстырмалылық теориясында немесе нақтырақ айтқанда Минковский кеңістігінде жүйенің эволюциясын талқылағанда физиктер көбінесе "жарық конусы" терминін қолданады. Жарық конусы объектінің қазіргі күйі бойынша болашақтағы кез келген мүмкін эволюциясын немесе оның қазіргі орны бойынша барлық мүмкін орналасуын көрсетеді. Объектінің болашақтағы орналасуы оның қозғалу жылдамдығымен шектеледі, ең болмағанда жарық жылдамдығымен. Мысалы, t0 уақытында p орнында орналасқан объект t1 уақытына дейін p + c(t1 – t0) аралығындағы орналасуларға ғана жете алады. Бұл әдетте физикалық орналасулары көлденең осьте, ал уақыт тік осьте көрсетілетін графиктерде бейнеленеді, уақыт бірліктері – t, ал кеңістік бірліктері – ct. Мұндай бейнелеуде жарық конусы объектінің ортасынан 45 градус бұрышпен өтетін түзулер түрінде көрінеді, себебі жарық осы жылдамдықпен қозғалады. Бұл диаграммада объектінің болашақтағы барлық мүмкін орналасуы конус ішінде жатады. Сонымен қатар, әрбір кеңістік орны болашақ уақытқа ие, яғни объект кез келген уақытқа дейін кеңістікте бір орында тұра алады. Мұндай диаграммадағы әрбір нүкте "оқиға" деп аталады. Егер екі оқиға уақыт осі бойынша ерекшеленсе, олар уақыт бойынша бөлек саналады, ал егер кеңістік осі бойынша ерекшеленсе, кеңістік бойынша бөлек саналады. Егер объект еркін құлауда болса, ол t осі бойымен жоғары қарай қозғалады; ал егер ол үдеу алса, x осі бойымен де қозғалады. Объектінің кеңістік-уақыт арқылы жүретін нақты жолы, оның жүре алатын жолдарға қарамастан, "әлемдік сызық" деп аталады. Тағы бір анықтама бойынша, жарық конусы барлық мүмкін әлемдік сызықтарды көрсетеді. "Жай" кеңістік-уақыт метрикаларының мысалында жарық конусы уақыт бойынша алға бағытталған. Бұл бір объектінің бір уақытта екі орында болуы мүмкін емес екендігіне немесе бірден басқа орынға қозғала алмайтындығына сәйкес келеді. Мұндай кеңістік-уақытта физикалық объектілердің әлемдік сызықтары уақыт бойынша бағытталған болады. Алайда, бұл бағдарлама тек "жергілікті тегіс" кеңістік-уақыт үшін ғана дұрыс. Иілген кеңістік-уақытта жарық конусы кеңістік-уақыттың геодезиясы бойымен "қисайды". Мысалы, жұлдыздың жанынан өтетін объектіге жұлдыздың гравитациялық күші "тартып", оның әлемдік сызығына әсер етеді, сондықтан оның болашақтағы мүмкін орналасуы жұлдызға жақын болады. Бұл сәйкес кеңістік-уақыт диаграммасында сәл қисайған жарық конусы ретінде көрінеді. Осы жағдайда еркін құлаудағы объект өзінің жергілікті осі бойымен қозғала береді, бірақ сыртқы бақылаушыға ол кеңістікте де үдеп қозғалғандай көрінеді – мысалы, егер объект орбитада болса. Шеткі жағдайларда, жоғары қисықтыққа ие кеңістік-уақытта жарық конусы 45 градустан асып кетуі мүмкін. Бұл объектінің анықтамалық жүйесінде сыртқы тынығу жүйесіндегі бақылаушылар үшін кеңістік сияқты бөлінген ықтимал "болашақ" орналасулары бар екенін білдіреді. Осы сыртқы көзқарас бойынша объект кеңістікте бірден қозғала алады. Мұндай жағдайларда объект қозғалуы керек, өйткені оның қазіргі кеңістіктегі орны оның өзінің болашақ жарық конусында болмайды. Сонымен қатар, жеткілікті қисайған жағдайларда, сырттан қарағанда "өткен" деп саналатын оқиғалардың орналасуы да болуы мүмкін. Өзінің кеңістік осінде көрінетіндей қозғалыс арқылы объект сырттан қарағанда уақыт арқылы саяхаттағандай көрінеді. Жабық уақытқа ұқсас қисық жасау үшін мұндай жарық конустарының тізбегі өзіне-өзі оралу үшін орнатылуы мүмкін, сондықтан объект осы цикл бойымен қозғалып, бастаған орнына және уақытына оралуы мүмкін. Егер мұндай орбитадағы объект еркін құлауда болса, ол кеңістік-уақыттағы бір нүктеге қайта-қайта оралады. Бастапқы кеңістік-уақыт орнына оралу – бұл тек бір мүмкіндік; объектінің болашақ жарық конусы уақыт пен кеңістікте алға және артқа қарайтын нүктелерді қамтиды, сондықтан осы жағдайларда объект уақыт саяхаты жасауы мүмкін.

Салдарлар

CTC-нің бір ерекшелігі – ол бұрынғы уақытпен байланысы жоқ әлем сызығының мүмкіндігін ашады, соның салдарынан ертерек себепке із жатпайтын оқиғалардың пайда болуы. Көбінесе, себеп-салдар қағидасы бойынша уақыт-кеңістіктегі әрбір оқиғаның алдында оның себебі әрбір тыныш тұру жүйесінде болуы тиіс. Бұл қағида детерминизм үшін маңызды, жалпы салыстырмалылық теориясының тілімен айқанда, ғалам туралы кеңістікке ұқсас Коши бетіндегі толық білімді пайдаланып, қалған уақыт-кеңістіктің толық күйін есептеуге болады. Дегенмен, CTC-де себеп-салдар бұзылады, себебі оқиға өзінің себебімен "бір уақытта" болуы мүмкін – белгілі бір мағынада оқиға өзін-өзі тудыруы мүмкін. Өткенге қатысты ғана білімге сүйене отырып, CTC-де басқа уақыт-кеңістіктегі объектілерге кедергі келтіретін нәрсе бар-жоғын анықтау мүмкін емес. Сондықтан, CTC Коши горизонтына және өткен уақыт туралы толық білімнен болжауға болмайтын уақыт-кеңістік аймағына алып келеді. CTC-ді үздіксіз түрде бір нүктеге деформациялау мүмкін емес (яғни, CTC және нүкте уақытқа ұқсас гомотопты емес), өйткені көпқырлылық сол нүктеде себептік тұрғыдан дұрыс болмайды. КТК-нің бір нүктеге деформациялануына кедеріс келтіретін топологиялық ерекшелік – уақытқа ұқсас топологиялық ерекшелік деп аталады. CTC-нің болуы ғаламдағы материя мен энергияның физикалық түрде рұхсат етілген күйлеріне шектеулер қоюы мүмкін. Мұндай аргументтерге сәйкес, жабық уақытқа ұқсас әлем сызықтарының отбасы бойынша өріс конфигурациясын тарату, әрі қарай бастапқы күймен толық сәйкес келетін күйге жеткізеді. Бұл идеяны кейбір ғалымдар CTC-нің бар екенін жоққа шығарудың мүмкін жолы ретінде қарастырды. КТК-ның кванттық формулировкалары ұсынылғанмен, оларға күшті қарсылық – кванттық теорияның мүмкін емес деп санайтын, өзара байланысты еркін құру қабілеті. Егер Дойчтың рецепті дұрыс болса, онда бұл КТК-нің болуы кванттық және классикалық есептеулердің (екеуі де PSPACE-де) теңдестігін білдіреді. Егер Ллойдтың рецепті дұрыс болса, кванттық есептеулер PP-толық болады.

Жасырын және жасырын емес

КТК-ның екі классы бар. Бірі – белгілі бір нүктеге дейін қысқартылатын КТК (егер оны әр жерде болашаққа бағытталған уақыт тәрізді болуын міндетті түрде талап етпесек), екіншісі – қысқартылмайтын КТК. Соңғысы үшін біз әрқашан әмбебап жабу кеңістігіне өтуге және себеп-салдар қатынасын қайта орнатуға болады. Алғашқысы үшін мұндай процедура мүмкін емес. Уақыт тәрізді қисықтар арасындағы уақыт тәрізді гомотопия арқылы жабық уақыт тәрізді қисық сызықты нүктеге дейін қысқартуға болмайды, себебі ондағы нүкте себеп-салдарлық жағынан дұрыс болар емес. Әрбір жабық нөлдік геодезиямен байланысты, айналма жол бойынша аффиндік параметрдің өзгеру жылдамдығын сипаттайтын қызыл жылжу факторы болады. Осы қызыл жылжу факторының арқасында аффиндік параметр шексіз көп айналымнан кейін шекті мәнде тоқталады, өйткені геометриялық қатарлар жинақталады.