Чи врятує дідуся гравітація? Американські фізики пояснили, чому не можна вирушити в минуле

Фізики називають петлі часу замкненими часоподібними кривими: мандрівник, що рухається ними, постійно прямує «вперед» за власним годинником і водночас повертається у своє минуле. У 1949 році Курт Ґедель виявив такі петлі в моделі Всесвіту, що обертається; згодом їх знайшли в гіпотетичних кротових норах і навколо чорних дір, що обертаються.

Стівен Гокінг ставився до цього з підозрою та гумором. 28 червня 2009 року він влаштував у Кембриджі вечірку для мандрівників у часі, а запрошення розіслав уже після свята: прийти могли лише гості з майбутнього. Не прийшов ніхто. Ще 1992 року Гокінг висунув гіпотезу про «захист хронології»: закони фізики самі собою перешкоджають виникненню часових петель.

Але за три десятиліття ніхто так і не показав, як саме Всесвіт оберігає порядок «раніше — пізніше».

Нещодавно Мустафа Ісмаїл і Девід Маттінглі з Університету Нью-Гемпшира запропонували модель, у якій цим вартовим виступає сама гравітація — щоправда, із суттєвим застереженням.

Час із вбудованою стрілкою

Робота Ісмаїла та Маттінглі з’явилася в архіві препринтів arXiv у квітні 2026 року, а 7 жовтня її прийняв до публікації журнал Physical Review D.

Автори прямо формулюють свою мотивацію: «Саме існування [часових петель] загрожує як причинності, так і передбачуваності». Якщо події не мають чіткого порядку, фізика не може вивести майбутнє з теперішнього, а це — основа будь-якої теорії.

Відправною точкою стало цікаве спостереження. Існують альтернативні теорії гравітації (міметична гравітація та гравітація Горжави — Ліфшиця), створені для зовсім інших завдань, наприклад для опису темної матерії. Жодна з них не задумувалася як захист від машин часу, проте обидві забороняють часові петлі. Звідси виникла ідея перетворити захист хронології «з похідної властивості на керівний принцип» побудови нових теорій. Оскільки теорія Ейнштейна допускає існування петель, така теорія мусить хоч у чомусь від неї відрізнятися.

Щоб зрозуміти будову моделі, уявіть геометрію простору-часу як два набори правил. Перший (метрика) діє подібно до лінійки та годинника: він вимірює відстані й проміжки часу. Другий (зв'язність) визначає, як напрямок «переноситься» від точки до точки — наприклад, як поводиться стрілка компаса під час руху викривленою поверхнею. У теорії Ейнштейна другий набір повністю визначається через перший. У підході, що має назву «метрико-афінна гравітація», їх вважають незалежними, і в другому наборі залишається «зайвий» ступінь вільності, який зазвичай ні на що не впливає.

Модель MAGIC (Metric-Affine Gravity Imposing Chronology — «метрико-афінна гравітація, що нав’язує хронологію») робить цю приховану деталь фізично реальною.

Автори висувають до неї дві умови: вона завжди має вказувати в майбутнє і не може «закручуватися». У результаті в тканину простору-часу вбудовується універсальний годинник, показники якого зростають уздовж шляху будь-якого спостерігача. Це нагадує схил, яким можна рухатися лише донизу: хоч би як ви петляли, повернутися до початкової точки не вдасться.

Ще в 1969 році Гокінг довів, що якщо такі годинники існують у всьому Всесвіті, то петель часу немає навіть за умов незначних збурень геометрії.

Проблема виявилася, коли модель застосували до Всесвіту, що розширюється. Вбудована «стрілка» поводиться у рівняннях як незвичайна невидима субстанція, що впливає на темп розширення космосу. Окрім звичних гравітаційних хвиль, у ній виникає новий тип коливань простору-часу, і він є нестабільним. Крихітні збурення в ньому наростають лавиноподібно, причому найменші з них зростають найшвидше. У такому вигляді модель не здатна описати реальний космос.

Автори чесно перелічують й інші слабкі сторони.

Рівняння гарантують часовий порядок лише в кожній окремій ділянці, а стосовно всього Всесвіту це доводиться просто припускати.

Захист від «руйнування» самої геометрії спрацьовує не в усіх випадках.

Невипадково дослідники називають MAGIC «іграшковою» моделлю. Натомість її спрощений варіант можна перевірити за допомогою космологічних спостережень. А першочергове завдання вони вбачають у тому, щоб усунути нестабільність, не втративши при цьому вбудовану стрілку часу, — це «природний наступний крок».

Заборонити петлі чи знешкодити парадокси

Суперечка щодо машин часу розгорілася наприкінці 1980-х років. Тоді Майкл Морріс, Кіп Торн та Ульві Юртсевер показали, що кротовину — гіпотетичний тунель між двома точками простору — теоретично можна перетворити на машину часу.

Тримати її відкритою могла б лише екзотична матерія з від'ємною енергією, яку в малих кількостях допускає квантова фізика.

Гокінг розрахував, що в момент появи першої петлі квантові коливання порожнього простору мають різко посилюватися і руйнувати машину. У статті 1992 року він пожартував, що існує певне «агентство із захисту хронології», яке «робить Всесвіт безпечним для істориків».

У 1997 році Бернард Кей, Марек Радзиковський і Роберт Волд суворо довели, що в цій точці квантові величини — наприклад, енергія порожнього простору — втрачають будь-який сенс.

Це можна було вважати аргументом на користь Гокінга, але водночас з’ясувалося, що тут дає збій сам математичний апарат, яким він користувався.

Остаточну відповідь, судячи з усього, може дати лише повна квантова теорія гравітації, якої поки що не існує.

У 2009 році Кіп Торн писав, що відповідь, імовірно, залежить від «законів квантової гравітації», які наука розуміє ще дуже погано.

Інша школа не забороняла петлі, а усувала їхні парадокси. Принцип самоузгодженості, пов’язаний з ім'ям астрофізика Ігоря Новікова, стверджує, що у світі з часовими петлями можливі лише такі історії, які не суперечать самі собі.

У 2020 році Фабіо Коста та Жермен Тобар із Квінслендського університету показали, що такі петлі сумісні навіть зі свободою вибору.

За такої картини парадокс дідуся просто не виникає, а спроба змінити минуле зазнає невдачі «з цілком буденних причин», вважає Коста.

Наприкінці 2024 року Лоренцо Гавассіно з Університету Вандербільта додав до цієї картини несподівану деталь: згідно з його розрахунками, за один оберт петлі всі процеси в системі повертаються до початкового стану. Як він пояснив журналу Discover, будь-які спогади мандрівника «будуть стерті до завершення петлі».

MAGIC підтримує позицію Гокінга, але діє інакше. Гокінг покладався на квантові ефекти, що виникають у момент спроби створити машину часу. Модель із Нью-Гемпшира унеможливлює такі петлі заздалегідь — на рівні самої геометрії.

Автори припускають, що якщо майбутня квантова теорія гравітації справді захищає хронологію, її «відбитки» можуть проявитися і у звичайному, спостережуваному світі. Такий підхід має й свою ціну: у просторі-часі з’являється виділений напрямок часу, тоді як у теорії Ейнштейна жоден спосіб відліку часу не має переваг.

Петлі у квантових комп’ютерах і годинники на Марсі

Поки одні теоретики забороняють часові петлі, інші з’ясовують, що можна було б із ними зробити. У 2026 році в журналі Physical Review Letters вийшла праця Кайюаня Цзі та Марка Вайлда з Корнелльського університету й Сета Ллойда з MIT, натхненна фільмом Крістофера Нолана «Інтерстеллар».

Фізики розрахували, скільки інформації можна передати в минуле через таку петлю, якщо канал зв’язку «шумить». Виявилося, що передача назад може бути навіть ефективнішою за звичайну. Відправник у майбутньому пам’ятає, як отримувач розшифрував повідомлення, і підлаштовує під це кодування. У використаній моделі парадокс дідуся неможливий. До списку літератури препринта автори додали жартівливе посилання на «М. Макфлая» з датою 26 жовтня 1985 року — саме цього дня герой культового фільму вирушив у 1955-й.

Сам Ллойд не перебільшує перспектив. «Ніхто не побудував справжньої фізичної замкненої часоподібної кривої… Але всі канали зашумлені», — каже він. Іншими словами, користь, найімовірніше, знайдеться для звичайного зв’язку.

Джуліо Кірібелла з Гонконзького університету, який не брав участі в цьому дослідженні, зазначає, що існування таких петель не доведено, проте «якщо вони існують, то мають вагомі наслідки». Більш скептично налаштований фахівець із квантових обчислень Скотт Ааронсон із Техаського університету в Остіні. За його словами, роботи в межах цього підходу «намагаються моделювати подорожі в часі, але не цілком у цьому досягають успіху».

У квітні 2026 року група фізиків із Тайваню та Японії повідомила в журналі Physical Review Research, що відтворила математичну модель часової петлі на квантових комп’ютерах Quantinuum та IBM. Справжнього руху в минуле не відбувалося: дослідники враховували лише ті запуски, в яких вимірювання давало потрібний результат. За такого відбору експеримент виглядає як «траєкторія без парадоксів», у якій інформацію вдається розшифрувати ще до її появи.

Не менш важливими є дослідження того, як гравітація змінює плин часу в Сонячній системі.

Згідно з теорією Ейнштейна, годинник іде повільніше там, де гравітація сильніша.

У грудні 2025 року Ніл Ешбі та Біджунат Патла з Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) уперше точно розрахували час на Марсі, де сила тяжіння приблизно вп’ятеро слабша за земну. Тамтешні годинники поспішають відносно земних у середньому на 477 мікросекунд на добу, а протягом марсіанського року ця різниця змінюється на величину до 226 мікросекунд.

На Місяці час плине швидше на 56 мікросекунд на добу. Ці поправки потрібні не з цікавості: на точній синхронізації годинників тримаються навігація та зв’язок — так само, як сьогодні на Землі працює GPS.

Перевірити самі основи цих розрахунків має європейська місія ACES, відправлена на Міжнародну космічну станцію 21 квітня 2025 року.

Порівнюючи надточні атомні годинники на орбіті та на Землі, вона має виміряти ефект уповільнення часу під дією гравітації приблизно вдесятеро точніше, ніж у попередніх експериментах. Науковий керівник проєкту Луїджі Каччапуоті говорив про «можливості, які мережа годинників, створена ACES, відкриє для фундаментальної фізики».

Не обійшлося й без труднощів: згідно з презентацією Каччапуоті на конференції 2025 року, основний цезієвий годинник PHARAO працює належним чином, тоді як другий прилад — водневий мазер SHM — поводиться аномально, і отримати від нього корисний сигнал поки що не вдалося.

Будь-якій моделі на кшталт MAGIC, що претендує на внесення поправок до теорії Ейнштейна, зрештою доведеться пройти саме таку перевірку.