Введение

Предположение о том, что законы физики предотвращают существование замкнутых времениподобных кривых. Гипотеза о защите хронологии, впервые предложенная Стивеном Хокингом, утверждает, что законы физики, выходящие за рамки стандартной общей теории относительности, препятствуют путешествиям во времени во всех масштабах, кроме микроскопических, даже в тех случаях, когда эта теория предсказывает их возможность (например, в сценариях, допускающих сверхсветовое перемещение). Математически возможность путешествий во времени выражается существованием замкнутых времениподобных кривых в некоторых решениях уравнений поля общей теории относительности. Гипотезу о защите хронологии следует отличать от принципа хронологической цензуры, согласно которому каждая замкнутая времениподобная кривая проходит через горизонт событий, что может помешать наблюдателю обнаружить нарушение причинности (также известное как нарушение хронологии).

Этимология

В статье 1992 года Хокинг использует метафорический прием "Агентства по защите хронологии" как персонификацию тех аспектов физики, которые делают путешествия во времени невозможными в макроскопических масштабах, тем самым, по-видимому, предотвращая временные парадоксы. Он пишет:

Идея Агентства по защите хронологии, по-видимому, заимствована из концепции "патруля времени" или "временной полиции", которая использовалась во многих произведениях научной фантастики, таких как серия рассказов Пола Андерсона "Патруль времени" или роман Айзека Азимова "Конец Вечности", или в телесериале "Доктор Кто". "Дело о защите хронологии" Пола Левинсона, опубликованное после работы Хокинга, выдвигает предположение о вселенной, которая идет настолько далеко, что убивает любого ученого, близкого к изобретению средств для путешествий во времени. Ларри Нивен в своем рассказе "Вращающиеся цилиндры и возможность глобального нарушения причинности" развивает эту концепцию, согласно которой Вселенная обрушивает на любую цивилизацию, демонстрирующую признаки успешной разработки, экологическую катастрофу, глобальную гражданскую войну или взрыв сверхновой звезды в их Солнечной системе.

Общая теория относительности и квантовые коррекции

Было предложено множество попыток создать сценарии для замкнутых временных кривых, и теория общей относительности допускает их при определенных обстоятельствах. Некоторые теоретические решения в общей теории относительности, содержащие замкнутые временные кривые, потребуют бесконечной вселенной с определенными особенностями, которые, по-видимому, не имеет наша вселенная, например, универсальное вращение метрики Гёделя или вращающийся цилиндр бесконечной длины, известный как цилиндр Типлера. Однако некоторые решения позволяют создавать замкнутые временные кривые в ограниченной области пространства-времени, при этом горизонт Коши является границей между областью пространства-времени, где могут существовать замкнутые временные кривые, и остальной частью пространства-времени, где они не могут существовать. Одно из первых таких ограниченных решений для путешествия во времени было построено на основе проходимой червоточины, исходя из идеи переместить один из двух «ртов» червоточины в кругосветное путешествие с релятивистской скоростью, чтобы создать разницу во времени между ним и другим ртом (см. обсуждение в разделе Wormhole#Time travel). Общая теория относительности сама по себе не включает квантовые эффекты, а для полной интеграции общей теории относительности и квантовой механики потребуется теория квантовой гравитации, но существует приближенный метод моделирования квантовых полей в искривленном пространстве-времени общей теории относительности, известный как полуклассическая гравитация. Первые попытки применить полуклассическую гравитацию к машине времени на основе проходимой червоточины показали, что именно в момент, когда червоточина впервые позволит образоваться замкнутым временным кривым, квантовые вакуумные флуктуации нарастают и приводят к бесконечности плотности энергии в области червоточины. Это происходит, когда два рта червоточины, назовем их A и B, перемещаются таким образом, что становится возможным для частицы или волны, движущейся со скоростью света, войти в рот B в некоторый момент времени T2 и выйти через рот A в более ранний момент времени T1, затем вернуться к роту B через обычное пространство и прибыть в рот B в тот же момент времени T2, что и при входе в B на предыдущем витке; таким образом, одна и та же частица или волна может совершить потенциально бесконечное число витков через одни и те же области пространства-времени, накапливаясь на себе. Расчеты показали, что этот эффект не возникнет для обычного пучка излучения, поскольку он будет «дефокусирован» червоточиной, так что большая часть пучка, выходящего из рта A, рассеется и не достигнет рта B. Но когда расчеты были выполнены для вакуумных флуктуаций, было обнаружено, что они будут спонтанно перефокусироваться во время движения между ртами, что указывает на то, что эффект накопления может стать достаточно большим, чтобы уничтожить червоточину. Неопределенность в отношении этого вывода сохранялась, поскольку полуклассические расчеты показали, что накопление приведет к бесконечности плотности энергии только в течение бесконечно малого момента времени, после чего плотность энергии уменьшится. Однако полуклассическая гравитация считается ненадежной для больших плотностей энергии или коротких периодов времени, достигающих планковской шкалы; в этих масштабах для точных предсказаний необходима полная теория квантовой гравитации. Поэтому остается неясным, смогут ли квантовые гравитационные эффекты предотвратить рост плотности энергии до величины, достаточной для уничтожения червоточины. Стивен Хокинг предположил, что не только накопление вакуумных флуктуаций все равно приведет к уничтожению червоточины в квантовой гравитации, но и что законы физики в конечном итоге не позволят образоваться ни одному типу машины времени; это гипотеза защиты хронологии. Последующие работы в области полуклассической гравитации привели к примерам пространств-времен с замкнутыми временными кривыми, где плотность энергии из-за вакуумных флуктуаций не приближается к бесконечности в области пространства-времени за пределами горизонта Коши. Оба случая указывают на то, что полуклассические методы становятся ненадежными на горизонте, и эффекты квантовой гравитации будут там важны, что согласуется с возможностью того, что эти эффекты всегда будут препятствовать образованию машин времени, в отличие от полуклассических методов. Существуют также некоторые аргументы из теории струн, которые, по-видимому, поддерживают защиту хронологии, но теория струн пока не является полной теорией квантовой гравитации. Экспериментальное наблюдение замкнутых временных кривых, конечно, опровергло бы эту гипотезу, но, в отсутствие этого, если бы у физиков была теория квантовой гравитации, предсказания которой были бы хорошо подтверждены в других областях, это дало бы им значительную уверенность в предсказаниях теории относительно возможности или невозможности путешествия во времени. Другие предложения, допускающие путешествие во времени в обратном направлении, но предотвращающие временные парадоксы, такие как принцип самосогласованности Новикова, который обеспечит согласованность временной линии, или идея о том, что путешественник во времени переносится в параллельную вселенную, в то время как его исходная временная линия остается нетронутой, не квалифицируются как «защита хронологии».