Кротовая нора или червоточина — это гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой “туннель” в пространстве в каждый момент времени (пространственно-временной туннель). Тем самым кротовая нора позволяет перемещаться в пространстве и времени. Области, которые связывает кротовая нора, могут представлять собой области единого пространства или быть полностью разъединенными. Во втором случае кротовая нора является единственным связующим звеном двух областей. Первый вид кротовых нор часто называют “внутримировыми”, а второй вид “межмировыми“.
Как известно Общая теория относительности запрещает перемещение во Вселенной со скоростью превышающей скорость света. С другой стороны ОТО допускает существование пространственно-временных туннелей, но при этом необходимо, чтобы туннель был заполнен экзотической материей с отрицательной плотностью энергии, создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию туннеля.
К подобным частицам экзотической материи чаще всего относят тахионы. Тахионы – это гипотетические частицы, которые движутся быстрее скорости света. Для того чтобы такие частицы не нарушали ОТО предполагается, что масса тахионов является отрицательной.
В настоящее время нет достоверных экспериментальных подтверждений существования тахионов в лабораторных экспериментах или астрономических наблюдениях. Физики могут похвастаться лишь “псевдоотрицательной“ массой электронов и атомов, которые получают при высокой плотности электрических полей, особой поляризации лазерных лучей или сверхнизких температурах. В последнем случае эксперименты проводились с конденсатом Бозе – Эйнштейна, агрегатным состоянием вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли кельвина). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. За получение конденсата Бозе-Эйншейна в 2001 году была вручена Нобелевская премия по физике.
Впрочем, ряд специалистов предполагают, что тахионами могут являться . Эти элементарные частицы обладают ненулевой массой, что было доказано с помощью обнаружения нейтринных осцилляций. Последнее открытие даже удостоилось Нобелевской премии по физике за 2015 год. С другой стороны точное значение массы нейтрино до сих пор определить не удалось. Ряд экспериментов по измерению скорости нейтрино показали, что их скорость может незначительно превышать скорость света. Эти данные постоянно подвергаются сомнению, но в 2014 году вышла новая работа по этому поводу.
Теория струн
Параллельно некоторые теоретики предполагают, что в ранней Вселенной могли сформироваться особые образования (космические струны) с отрицательной массой. Длина реликтовых космических струн может достигать как минимум несколько десятков парсек при толщине меньше диаметра атома при средней плотности 10 22 грамм на см 3 . Существует несколько работ о том, что подобные образования наблюдались в событиях гравитационного линзирования света далеких квазаров. В целом же в настоящее время является наиболее вероятным кандидатом на “теорию всего“ или единую теорию поля, которая объединяет теорию относительности и квантовую теорию поля. Согласно ей все элементарные частицы представляют собой колеблющиеся нити энергии длиной около 10 -33 метра, что сравнимо с (минимальным возможным размером объекта во Вселенной).
Теория единого поля предполагает, что в пространственно-временных измерениях существуют ячейки с минимальной длиной и временем. Минимальная длина должна быть равна планковской длине (примерно 1,6·10 −35 метров).
В то же время наблюдения удаленных гамма-всплесков говорят о том, что если зернистость пространства существует, то размер этих зерен не больше 10 −48 метров. Кроме того не смог подтвердить некоторые следствия теории струн, что стало серьезным аргументом ошибочности этой фундаментальной теории современной физики.
Потенциально большим значением на пути к созданию единой теории поля и пространственно-временных туннелей является обнаружение в 2014 году теоретической связи между квантовой запутанностью и кротовыми норами. В новой теоретической работе было показано, что создание пространственно-временного туннеля возможно не только между двумя массивными черными дырами, но и между двумя квантово запутанными кварками.
Квантовая запутанность – это явление в квантовой механике, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий. Измерение параметра одной частицы приводит к мгновенному (выше скорости света) прекращению запутанного состояния другой, что находится в логическом противоречии с принципом локальности (при этом теория относительности не нарушается и информация не передаётся).
Кристан Дженсен из университета Виктории (Канада) и Андреас Карч из университета Вашингтона (США), описали квантово запутанную пару, состоящую из кварка и антикварка, которые мчатся прочь друг от друга с околосветовыми скоростями, что делает невозможной передачу сигналов от одного к другому. Исследователи полагают, что трехмерное пространство, в котором движутся кварки — это гипотетическая грань четырехмерного мира. В 3D-пространстве квантово запутанные частицы соединены своего рода «струной». А в 4D-пространстве эта «струна» становится кротовой норой.
Джулиан Соннер из Массачусетского технологического института (США) представил квантово-запутанную пару кварк-антикварк, рождающуюся в сильном электрическом поле, которое разлучает противоположно заряженные частицы, заставляя их ускоренно двигаться в разных направлениях. Соннер также пришел к выводу, что частицы, квантово запутанные в трехмерном пространстве, будут соединены кротовой норой в четырехмерном пространстве. При расчетах физики использовали так называемый голографический принцип — концепцию, согласно которой вся физика n-мерного мира в полной мере отражается на его «гранях» с количеством измерений (n-1). При таком “проецировании“квантовая теория, учитывающая эффекты гравитации в четырехмерном пространстве, эквивалентна квантовой теории «без гравитации» в трехмерном. Другими словами, черные дыры в 4D-пространстве и кротовая нора между ними математически эквивалентны их трехмерной голографической проекции.
Перспективы гравитационно-волновой и нейтринной астрономии
Наибольшими перспективами в изучении свойств материи на самом микроскопическом и высокоэнергетическом уровне для лучшего понимания квантовой гравитации обладает гравитационно-волновая и нейтринная астрономия за счет того что она изучает волны и частицы с наибольшей проникающей способностью. Так если микроволновое реликтовое излучение Вселенной образовалось через 380 тысяч лет после , то реликтовые нейтрино в первые несколько секунд, а реликтовые гравитационные волны всего через 10 -32 секунд! Кроме того большими перспективами обладают регистрации подобных излучений и частиц с черных дыр или у катастрофических событий (слияния и , коллапсов массивных звезд).
С другой стороны активно развиваются традиционные астрометрические обсерватории, которые сейчас охватывают весь электромагнитный спектр. Подобные обсерватории могут обнаружить неожиданные объекты или явления в ранней Вселенной (первые межзвездные облака, и ), в случаях или во время наблюдений экстремальных объектов (черных дыр и нейтронных звезд). Астрономия продолжает являться наиболее эффективным направлением современной физики, так как способна изучать материю в экстремальных условиях, которые не доступны в земных лабораториях и ускорителях. В частности, существующие астрономические наблюдения в электромагнитном диапазоне привели к открытию загадочной темной материи и энергии, которые на данный момент не способна описать Стандартная модель (современная физическая теория, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех известных элементарных частиц). Другими примерами важности астрономических наблюдений в истории физики являются открытия аномального движения , астрометрического смещения света звезд рядом с диском , а так же двойных нейтронных звезд. Эти открытия стали мотивом для создания и проверки теории относительности, а так же позволили предсказать существование .
Пространственно-временные туннели или кротовые норы являются в научной фантастике самым популярным способом перемещения к другим звездам. Можно назвать наиболее популярные фильмы на эту тему: “Интерстеллар” (2014), “Контакт” (1997), “Сквозь горизонт” (1997), франшиза “Звездные войны” (1977-2017 годы). Первым начал широко использовать термины “черная дыра” и “кротовая дыра” американский физик Джон Уилер (1911-2008 годы). Советско-российский радиоастроном Николай Кардашев первым выдвинул идею, что черные дыры в центрах галактик являются входами в кротовые норы.
Оно искривлено, а гравитация, знакомая всем нам, является проявлением этого свойства. Материя искривляет, "прогибает" пространство вокруг себя, и тем больше, чем она плотнее. Космос, пространство и время - все это очень интересные темы. Прочитав эту статью, вы наверняка узнаете что-то новое о них.
Идея кривизны
Множество других теорий тяготения, которых существует сегодня целые сотни, в деталях отличается от ОТО. Однако все эти астрономические гипотезы сохраняют основное - идею кривизны. Если пространство кривое, то можно предположить, что оно могло принять, например, форму трубы, соединяющей области, которые разделены множеством световых лет. А возможно, даже эпохи, далекие друг от друга. Ведь мы ведем речь не о пространстве, привычном нам, а о пространстве-времени, когда рассматриваем космос. Дыра в нем может появиться лишь при определенных условиях. Предлагаем вам поближе познакомиться с таким интересным явлением, как кротовые норы.
Первые идеи о кротовых норах
Далекий космос и его загадки манят к себе. Мысли об искривлении появились сразу же после того, как была опубликована ОТО. Л. Фламм, австрийский физик, уже в 1916 году говорил о том, что пространственная геометрия может существовать в виде некоей норы, которая соединяет два мира. Математик Н. Розен и А. Эйнштейн в 1935 году заметили, что простейшие решения уравнений в рамках ОТО, описывающие изолированные электрически заряженные или нейтральные источники, создающие обладают пространственной структурой "моста". То есть они соединяют две вселенные, два почти плоских и одинаковых пространства-времени.
Позднее эти пространственные структуры стали именоваться "кротовыми норами", что является довольно вольным переводом с английского языка слова wormhole. Более близкий его перевод - "червоточина" (в космосе). Розен и Эйнштейн даже не исключали возможности использования этих "мостов" для описания с их помощью элементарных частиц. Действительно, в этом случае частица является сугубо пространственным образованием. Следовательно, необходимости моделировать источник заряда или массы специально не появится. А удаленный внешний наблюдатель в случае, если кротовая нора имеет микроскопические размеры, видит лишь точечный источник с зарядом и массой при нахождении в одном из этих пространств.
"Мосты" Эйнштейна-Розена
С одной стороны в нору входят электрические силовые линии, а с другой они выходят, не заканчиваясь и не начинаясь нигде. Дж. Уилер, американский физик, по этому поводу сказал, что получается "заряд без заряда" и "масса без массы". Вовсе не обязательно в этом случае считать, что мост служит для соединения двух разных вселенных. Не менее уместным будет и предположение о том, что у кротовой норы оба "устья" выходят в одинаковую вселенную, однако в разные времена и в разных ее точках. Получается что-то, напоминающее пустотелую "ручку", если ее пришить к практически плоскому привычному миру. Силовые линии входят в устье, которое можно понимать как отрицательный заряд (допустим, электрон). Устье, из которого они выходят, имеет положительный заряд (позитрон). Что же касается масс, они с обеих сторон будут одинаковыми.
Условия образования "мостов" Эйнштейна-Розена
Эта картина, при всей своей привлекательности, не получила распространение в физике элементарных частиц, на что было множество причин. Нелегко приписать "мостам" Эйнштейна-Розена квантовые свойства, без которых в микромире не обойтись. Такой "мост" и вовсе не образуется при известных значениях зарядов и масс частиц (протонов или электронов). "Электрическое" решение вместо этого предсказывает "голую" сингулярность, то есть точку, где электрическое поле и кривизна пространства делаются бесконечными. В таких точках понятие пространства-времени даже в случае искривления теряет смысл, так как невозможно решать уравнения, имеющие бесконечное множество слагаемых.
Когда не работает ОТО?
Сама по себе ОТО определенно заявляет, когда именно она прекращает работать. На горловине, в наиболее узком месте "моста", наблюдается нарушение гладкости соединения. И оно, следует сказать, достаточно нетривиально. С позиции удаленного наблюдателя на этой горловине останавливается время. То, что Розен и Эйнштейн считали горловиной, в настоящее время определяется как горизонт событий черной дыры (заряженной или нейтральной). Лучи или частицы с разных сторон "моста" попадают на различные "участки" горизонта. А между левой и правой его частями, условно говоря, находится нестатическая область. Для того чтобы пройти область, нельзя не преодолеть ее.
Невозможность пройти через черную дыру
Космический корабль, который приближается к горизонту довольно крупной относительно него черной дыры, как будто застывает навеки. Все реже и реже доходят сигналы от него… Напротив, горизонт по корабельным часам достигается за конечное время. Когда корабль (луч света или частица) минует его, он вскоре упрется в сингулярность. Это место, где кривизна делается бесконечной. В сингулярности (еще на подходе к ней) протяженное тело неизбежно будет разорвано и раздавлено. Такова реальность устройства черной дыры.
Дальнейшие исследования
В 1916-17 гг. были получены решения Райснера-Нордстрема и Шварцшильда. В них сферически описываются симметричные электрически заряженные и нейтральные черные дыры. Однако физики смогли до конца разобраться в непростой геометрии данных пространств только на рубеже 1950-60-х годов. Именно тогда Д. А. Уилер, известный благодаря своим работам в теории гравитации и ядерной физике, предложил термины "кротовая нора" и "черная дыра". Выяснилось, что в пространствах Райснера-Нордстрема и Шварцшильда действительно существуют кротовые норы в космосе. Они полностью не видны удаленному наблюдателю, как и черные дыры. И, подобно им, кротовые норы в космосе вечны. А вот если путешественник проникнет за горизонт, они схлопываются настолько быстро, что через них не сможет пролететь ни луч света, ни массивная частица, а не то что корабль. Чтобы пролететь к другому устью, минуя сингулярность, нужно двигаться быстрее света. В настоящее время физики считают, что сверхновые скорости перемещения энергии и материи принципиально невозможны.
Шварцшильда и Райснера-Нордстрема
Черная дыра Шварцшильда может считаться непроходимой кротовой норой. Что касается черной дыры Райснера-Нордстрема, она устроена несколько сложнее, однако также непроходима. Тем не менее придумать и описать четырехмерные кротовые норы в космосе, которые можно было бы пройти, не так уж сложно. Стоит лишь подобрать необходимый вид метрики. Метрический тензор, или метрика, - набор величин, используя который, можно вычислить четырехмерные интервалы, существующие между точками-событиями. Этот набор величин полностью характеризует также и поле тяготения, и геометрию пространства-времени. Геометрически проходимые кротовые норы в космосе даже проще, нежели черные дыры. В них нет горизонтов, которые ведут к катаклизмам с ходом времени. В различных точках время может идти а разном темпе, однако оно не должно при этом бесконечно останавливаться или ускоряться.
Два направления исследования кротовых нор
Природа поставила барьер на пути появления кротовых нор. Однако человек устроен так, что если находится препятствие, всегда будут желающие его преодолеть. И ученые не исключение. Труды теоретиков, которые занимаются исследованием кротовых нор, условно можно разделить на два направления, дополняющих друг друга. Первое занимается рассмотрением их следствий, заранее предполагая то, что кротовые норы действительно существуют. Представители второго направления пытаются понять, из чего и как они могут появиться, какие условия необходимы для их возникновения. Работ этого направления больше, чем первого и, пожалуй, они более интересны. К данному направлению можно отнести поиск моделей кротовых нор, а также исследование их свойств.
Достижения российских физиков
Как выяснилось, свойства материи, являющейся материалом для строительства кротовых нор, могут реализоваться за счет поляризации вакуума квантовых полей. Российские физики Сергей Сушков и Аркадий Попов совместно с испанским исследователем Давидом Хохбергом, а также Сергей Красников недавно пришли к этому выводу. Вакуум в этом случае не является пустотой. Это квантовое состояние, характеризующееся наименьшей энергией, то есть поле, в котором отсутствуют реальные частицы. В этом поле постоянно возникают пары частиц "виртуальных", исчезающие до того, как их обнаруживают приборы, однако оставляющие свой след в виде тензора энергии, то есть импульса, характеризующегося необычными свойствами. Несмотря на то что квантовые свойства материи в основном проявляются в микромире, кротовые норы, рождаемые ими, при некоторых условиях способны достигать значительных размеров. Одна из статей Красникова, кстати, называется "Угроза кротовых нор".
Вопрос философии
Если кротовые норы когда-нибудь все-таки удастся построить или обнаружить, область философии, связанная с интерпретацией науки, столкнется с новыми задачами и, нужно сказать, весьма непростыми. При всей, казалось бы, абсурдности временных петель и нелегких проблемах, касающихся причинности, данная область науки, вероятно, когда-нибудь с этим разберется. Так же, как разобрались в свое время с проблемами квантовой механики и созданной Космос, пространство и время - все эти вопросы во все века интересовали людей и, видимо, будут интересовать нас всегда. Познать их полностью едва ли удастся. Изучение космоса вряд ли когда-либо будет завершено.
Путешествие сквозь пространство и время возможно не только в фантастических фильмах и научно-фантастических книгах, еще немного и это может стать реальностью. Множество известных и уважаемых специалистов работают над исследованием такого феномена как червоточина и пространственно-временной туннель.
Червоточина, в определении физика Эрика Дэвиса, некий космический туннель, называемый еще горловиной, соединяющий между собой две отдаленные области во Вселенной или две различные Вселенные,- если другие Вселенные существуют – или два различных периода времени, или различные пространственные измерения. Несмотря на то, что существование не доказано, ученые всерьез рассматривают всевозможные способы использования проходимых червоточин, при условии их существования, для преодоления расстояния со скоростью света, и даже перемещений во времени.
Прежде чем использовать червоточины, ученым необходимо их найти. Сегодня, к сожалению, не обнаружено доказательств существования червоточин. Но если, они все же существуют, их расположение может быть не таким трудным, как кажется на первый взгляд.
Что же такое червоточины?
На сегодняшний день существует несколько теорий возникновения червоточин. Математик Людвиг Фламм применявший уравнения относительности Альберта Эйнштейна, первый предложил термин «червоточина», описывая процесс, когда сила тяжести может изогнуть временное пространство, относящееся к ткани физической действительности, вследствие чего и образуется пространственно-временной тоннель.
Али Эвгюн, из Восточного Средиземноморского университета на Кипре, предполагает, что червоточины возникают в местах плотного скопления темной материи. Согласно этой теории, червоточины могли существовать во внешних областях Млечного пути, где есть темная материя, и в пределах других галактик. Математически ему удалось доказать, что есть все необходимые условия для подтверждения данной теории.
"В будущем будет возможность косвенно наблюдать за подобными экспериментами, как показано в фильме "Интерстеллар”, - сказал Али Эвгюн.
Торн и еще ряд ученых пришли к выводу, что даже если бы вследствие необходимых факторов образовалась некоторая червоточина, она вероятнее всего разрушилась бы прежде, чем какой-то объект или человек прошли сквозь нее. Для того чтобы сохранить червоточину открытой достаточно долго потребовалось бы большое количество так званой «экзотической материи». Одна из форм естественной «экзотической материи» является темная энергия, Дэвис так поясняет ее действие: «давление, значение которого ниже атмосферного, создает гравитационно-отталкивающую силу, в свою очередь, толкающую внутреннее пространство нашей Вселенной наружу, что производит инфляционное расширение Вселенной».
Такой экзотический материал, как темная материя, распространен во Вселенной в пять раз больше, чем обычные вещества. До сих пор ученым не удавалось обнаружить скопления темной материи или темной энергии, поэтому неизвестны многие их свойства. Изучение их свойств, происходит посредством изучения пространства вокруг них.
Через червоточину сквозь время – реальность?
Идея путешествия во времени довольно популярна не только в среде исследователей. На теории червоточин основано путешествие Алисы в Зазеркалье в одноименном романе Льюиса Керролла. Что представляет собой пространственно-временной тоннель? Регион пространства в дальнем конце туннеля должен выделяться из области, находящейся вокруг входа, благодаря искажениям, подобными отражению в искривленных зеркалах. Еще одним признаком может быть сосредоточенное движение света направленное через туннель червоточины воздушными течениями. Дэвис называет явление на переднем конце червоточины "каустическим эффектом радуги". Такие эффекты могут быть видимы с расстояния. "Астрономы планируют использовать телескопы для охоты на эти радужные явления, в поисках естественной или даже неестественно созданной, проходимой кротовой норы ", - сказал Дэвис. - «Я никогда не слышал о том, что проект всё-таки сдвинулся с мертвой точки ".
В рамках своего исследования кротовых нор, Торн предположил теорию, согласно которой, червоточину можно будет использовать в качестве машины времени. Мысленные эксперименты, связанные с путешествиями во времени достаточно часто сталкиваются с парадоксами. Пожалуй, самым известным из них является парадокс дедушки: Если исследователь отправится в прошлое и убьет своего деда, то этот человек не сможет родиться, и соответственно никогда бы не вернется во времени обратно. Можно предположить, что обратного пути в путешествии во времени нет, по словам Дэвиса, работа Торна открыла новые возможности для изучения учеными.
Призрачная Связь: Червоточины и Квантовый Мир
"Вся кустарная промышленность теоретической физики произрастала из теорий, которые привели к развитию других пространственно-временных методов, производящих описанные причины парадоксов, связанных с машиной времени", - сказал Дэвис. Несмотря ни на что возможность использование червоточины для путешествий во времени привлекает и поклонников фантастики, и желающих изменить свое прошлое. Дэвис считает, основываясь на современных теориях, что для того, чтобы сделать из червоточины машину времени, потоки в одном или обоих концах туннеля необходимо будет ускорить до скоростей, приближающихся к скорости света.
"Исходя из этого, было бы крайне трудно построить машину времени на основе червоточины”, - сказал Дэвис. - " Относительно этого гораздо проще будет использовать червоточины для межзвездных путешествий в космосе".
Другие физики предположили, что путешествия во времени с помощью червоточины могут вызвать массированное наращивание энергии, которая уничтожит тоннель, прежде чем он может быть использован в качестве машины времени - процесс, известный как обратная квантовая реакция. Тем не менее, мечтать о потенциале червоточин по-прежнему весело: "Подумайте о всех возможностях, которые получили бы люди, если бы они обнаружили способ, что они могли бы сделать, если бы могли путешествовать во времени?," - сказал Дэвис. - "Их приключения были бы очень интересными, если не сказать больше".
Группа физиков из Германии и Греции под общим руководством Буркхарда Клайхауса представила принципиально новый взгляд на проблему кротовых нор . Так называются гипотетические объекты, где происходит искривление пространства и времени .
Считается, они представляют собой туннели, через которые можно в один момент совершить путешествие в другие миры.
Кротовые норы, или, как их еще называют, червоточинки, известны каждому любителю научной фантастики, где эти объекты описаны весьма ярко и впечатляюще (хотя в книгах их чаще называют ноль-пространство). Именно благодаря им герои могут переходить из одной галактики в другую за весьма короткое время. Что касается же реальных кротовых нор, то с ними дело обстоит куда сложнее. До сих пор непонятно, существуют ли они на самом деле, или же это все результат буйства фантазии физиков-теоретиков.
Согласно традиционным представлениям, кротовые норы — это некоторое гипотетическое свойство нашей Вселенной, а точнее, пространства и времени . Согласно концепции моста Эйнштейна — Розена, каждый момент времени в нашей Вселенной могут возникать некие туннели, через которые можно попасть из одной точки пространства в другую практически одномоментное (тот есть без потери времени).
Казалось бы, телепортируйся с их помощью в свое удовольствие! Но вот ведь беда: во-первых, эти кротовые норы чрезвычайно малы (по ним лишь элементарные частицы без труда шастать могут), а во-вторых, существуют они крайне недолго, миллионные доли секунды. Именно поэтому изучать их крайне сложно — до сих пор все модели кротовых нор не были экспериментально подтверждены.
Тем не менее, некоторое представление о том, что может быть внутри такого туннеля, у ученых все-таки имеется (хотя, увы, также лишь теоретическое). Считается, что там все забито так называемой экзотической материей (не путать с темной, это разные материи). А свое прозвище эта материя получила от того, что она состоит из принципиально других элементарных частиц. И из-за этого в ней не соблюдаются большинство физических законов — в частности, энергия может иметь отрицательную плотность, сила гравитации не притягивает, а отталкивает предметы и т.п. В общем, внутри туннеля все совсем не так, как у нормальных людей. Но именно эта неправильная материя и обеспечивает тот самый чудесный переход сквозь кротовую нору.
Собственно говоря, знаменитая общая теория относительности Эйнштейна к возможности существования кротовых нор весьма лояльна — она не опровергает существование таких туннелей (хотя и не подтверждает). Ну, а то, что не запрещено, как известно, разрешено. Поэтому многие астрофизики еще с середины прошлого века активно пытаются найти следы хоть какой-нибудь более-менее устойчивой кротовой норы.
Собственно говоря, их интерес можно понять — если окажется, что подобный туннель возможен в принципе, то тогда путешествия сквозь него к далеким мирам станут весьма простым делом (конечно, при условии, что кротовая нора будет находиться недалеко от Солнечной системы). Однако поиски данного объекта затрудняет то обстоятельство, что ученые до сих пор, собственно говоря, не совсем представляют себе, а что именно искать. В самом деле, напрямую увидеть эту нору невозможно, раз она, подобно черным дырам, все в себя всасывает (в том числе и излучение), но ничего не выпускает. Нужны какие-то косвенные признаки ее существования, но вот ведь вопрос — какие именно?
И вот недавно группа физиков из Германии и Греции под общим руководством Буркхарда Клайхауса из Ольденбургского университета (Германия) для того, чтобы облегчить страдания астрофизиков, представила принципиально новый взгляд на проблему кротовых нор. С их точки зрения, эти туннели действительно могут существовать во Вселенной и быть при этом достаточно устойчивыми . И никакой экзотической материи, по мнению группы Клайхауса, внутри них нет.
Ученые считают, что возникновение кротовых нор было вызвано квантовыми флуктуациями, свойственными ранней Вселенной почти сразу после Большого взрыва и породившими так называемую квантовую пену . Напомню, что квантовая пена — это некое условное понятие, которое может быть использовано как качественное описание субатомной пространственно-временной турбулентности на очень малых расстояниях (порядка планковской длины, то есть расстояния в 10 -33 см).
Образно говоря, квантовую пену можно представить так: вообразим, что где-то в весьма короткие промежутки времени в очень небольших областях пространства может самопроизвольно появляться энергия, достаточная для превращения этого кусочка пространства в черную дыру. А появляется эта энергия не просто из ниоткуда, а в результате столкновения частиц с античастицами и их взаимной аннигиляции. И тогда перед нашими глазами возникнет некий бурлящий котел, в котором непрерывно возникают и тут же исчезают черные дыры.
Так вот, по мнению авторов исследования, сразу после Большого взрыва наша Вселенная вся состояла из квантовой пены . И возникали в ней в каждый момент времени не только черные дыры, но и кротовые норы . А далее инфляция (то есть расширение) Вселенной должна была не только раздуть ее до огромных размеров, но и одновременно резко увеличить норы и сделать их устойчивыми. Настолько, что в них стало возможно проникновение и даже достаточно крупных тел.
Правда, тут получается одна загвоздка. Дело в том, что хотя крупные тела, согласно этой модели, и могут войти в кротовую нору, гравитационное влияние на них при входе должно быть весьма малым. Иначе они будут просто разорваны на части. Но если искривление пространства-времени на входе будет "плавным", то само путешествие через нее не может быть одномоментным. Оно, по расчетам исследователей, займет десятки, а то и сотни световых лет, поскольку выход из кротовой норы, доступной крупному телу, будет находиться весьма далеко от входа.
Исследователи считают, что обнаружить эти объекты во Вселенной хоть и не просто, но все-таки возможно. При том, что они могут быть похожи на черные дыры, отличия все-таки есть. Например, в черной дыре газ, попавший за горизонт событий, сразу же перестает испускать рентгеновское излучение, а тот, что попал в кротовую нору (у которой нет горизонта событий), продолжает это делать. Кстати, подобное поведение газа было недавно зафиксировано "Хабблом" в окрестностях объекта Стрелец A*, который традиционно считается массивной черной дырой. Но, судя по поведению газа, возможно, это устойчивая кротовая нора.
Согласно концепции группы Клайхауса, могут быть и другие признаки, говорящие о существовании кротовых нор. Теоретически можно предположить ситуацию, когда астрономы напрямую отметят неадекватность картины за кротовой норой, если телескоп случайно окажется повернут в ее сектор звездного неба. В этом случае она будет показывать картинку за десятки или сотни световых лет, которую астрономы смогут легко отличить от той, что в действительности должна быть в этом месте. Гравитация звезды (если она будет находиться по ту сторону кротовой норы) также может исказить свет удаленных звезд, проходящий неподалеку от кротовой норы.
Следует заметить, что работа греческих и немецких физиков, хоть и является сугубо теоретической, весьма важна для астрономов. Она впервые систематизирует все возможные признаки кротовых нор, которые можно пронаблюдать. А значит, руководствуясь ей, эти туннели можно обнаружить. То есть теперь ученые знают, что именно им надо искать.
Хотя, с другой стороны, если модель группы Клайхауса соответствует действительности, ценность кротовых нор для человечества резко снижается. Ведь одномоментного перехода в иные миры они не обеспечивают. Хотя, конечно же, изучить их свойства все же следует — вдруг для чего другого пригодятся…
Кадры из фильма «Интерстеллар» с «кротовой дырой» (2014)
Космическая киноэпопея «Интерстеллар» (речь идет о научно-фантастическом фильме, вышедшем на экраны в октябре 2014 года) рассказывает об астронавтах, которые в поисках вариантов спасения человечества обнаруживают «дорогу жизни», представленную загадочным туннелем.
Данный проход необъяснимым способом появляется возле Сатурна и в пространстве-времени проводит человека к далекой галактике, тем самым предоставляя шанс отыскать планеты, населенные живыми существами. Планеты, которые могут стать для людей вторым Домом.
Гипотезе о существовании киношного туннеля, называемого учеными «червоточиной» или «кротовой норой», предшествовала настоящая физическая теория, которую предложил один из первых ученых астрофизиков и бывший профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн.
Кип Торн помогал и астроному, астрофизику, популяризатору науки и одному из тех, кто инициировал проект по поиску внеземного разума - Карлу Сагану - создавать модель кротовой норы для его романа «Контакт». Убедительность зрительных образов в фильме для специалистов по изучению космоса настолько очевидна, что астрофизики признают: это едва ли не самые точные изображения кротовых нор и черных дыр из всех существующих в мировом кино.
Есть только одна «маленькая» деталька в этом фильме, которая не дает покоя внимательному зрителю: полет в подобном в космическом экспрессе - это, конечно же, здорово, но только вот удастся ли пилотам не дать дуба в процессе этого самого межзвездного перемещения?
Создатели космического блокбастера предпочли не упоминать о принадлежности первоначальной теории кротовых нор другим ведущим теоретикам астрофизики - ее начали разрабатывать еще Альберт Эйнштейн вместе со своим ассистентом Натаном Розеном. Эти ученые пробовали решить уравнения Эйнштейна для общей теории относительности так, чтобы в результате получилась математическая модель всей Вселенной, вместе с силами притяжения и элементарными частицами, которые образуют материю. В процессе всего этого предпринималась попытка вообразить пространство как две соединенные друг с другом «мостами» геометрические плоскости.
Параллельно, но автономно от Эйнштейна подобная работа проводилась другим физиком - Людвигом Фламмом, который в 1916 году, также при решении эйнштейновских уравнений, совершил свое открытие подобных «мостов».
Всех трех «мостостроевцев» постигло общее разочарование, поскольку «теория всего сущего» оказалась нежизнеспособной: подобные «мосты» в теории действовали вовсе не так, как всамделишные элементарные частицы.
Тем не менее в 1935 году Эйнштейном и Розеном была опубликована работа, где ими изложена собственная теория туннелей в пространственно-временном континууме. Данный труд по задумке авторов, очевидно, должен был побудить другие поколения ученых поразмышлять о возможности применения подобной теории.
Физиком из Принстонского университета Джоном Уиллером в свое время было введено в словооборот обозначение «червоточина», которым занимавшиеся в бо-х годах изучением построения моделей «мостов» по теории Эйнштейна-Розена. Уиллер подметил: уж больно такой «мост» напоминает ход, прогрызаемый червяком в плоде. Представим себе муравьишку, ползущего от одной стороны груши к другой, - он способен или проползти по всей изогнутой поверхности, или, сократив дорогу, пересечь плод через тоннель-червоточину.
А если вообразить, что наш трехмерный пространственно-временной континуум представляет собой кожицу груши, что словно изогнутая поверхность охватывает «массу» с гораздо большими размерами? Пожалуй, «мост» Эйнштейна-Розена и есть тот самый туннель, прорезающий эту «массу», он позволяет пилотам звездолетов уменьшить расстояние в пространстве между двумя точками. Вероятно, в данном случае речь идет о настоящем математическом решении общей теории относительности.
По мнению Уилера, устья «мостов» Эйнштейна-Розена весьма напоминают так называемую черную дыру Шварцшильда - простую материю, имеющую сферическую форму и столь высокую плотность, что сила ее притяжения не преодолеваема даже светом. У астрономов есть устойчивое мнение о существовании «черных дыр». Как они полагают, эти образования рождаются, когда «коллапсируют» или затухают весьма массивные звезды.
Насколько аргументированна гипотеза о том, что «черная дыра» - то же самое, что и «кротовая нора» или туннель, позволяющий осуществлять дальние космические перелеты? Может, с точки зрения математики, это утверждение и верно. Но лишь в теории: в подобной экспедиции не останется выживших.
Модель Шварцшильда представляет темную середину «черной дыры» в виде сингулярной точки или центрального нейтрального неподвижного шара с бесконечной плотностью. Расчеты Уиллера показывают последствия произошедшего в случае образования подобной «кротовой норы» тогда, когда две сингулярные точки («черные дыры» Шварцшильда) в двух отдаленных частях Вселенной сойдутся в ее «массе» и создадут туннель между ними.
Исследователь выяснил: подобная «кротовая нора» имеет нестабильную природу: туннель поначалу образуется, а затем схлопывается, после чего остаются снова только две сингулярные точки («черные дыры»). Процедура появления и захлопывания туннеля проходит столь молниеносно, что через него не может проникнуть даже луч света, не говоря уже о пытающемся проскользнуть астронавте - его и вовсе проглотит «черная дыра». Не шутки - речь идет о мгновенной смерти, ибо гравитационные силы сумасшедшей мощности разорвут человека на куски.
«Черные дыры» и «белые пятна»
Торн одновременно с фильмом выпустил книгу «Научные основы фильма „Интерстеллар»». Он в этой работе подтверждает: «Любое тело - живое или неживое - в момент охлопывания туннеля будет раздавлено и разорвано на куски!»
Для другого, альтернативного варианта - вращающейся «черной дыры» Керра - исследователи «белых пятен» в межпланетных путешествиях подыскали иное решение общей теории относительности. У сингулярности внутри «черной дыры» Керра другая, не шаровидная, а кольцеобразная форма.
Ее определенные модели могут дать человеку шанс выжить в межзвездном полете, но лишь в случае прохождения кораблем этой дыры исключительно через центр кольца. Нечто вроде космического баскетбола, только цена попадания здесь - не дополнительные очки: на кону - существование звездолета вместе с его экипажем.
Автор книги «Научные основы фильма „Интерстеллар»» Кип Торн сомневается в состоянии этой теории. Еще в 1987 году он пишет статью про полет через «кротовую нору», где указывает на немаловажную деталь: горловина туннеля Керра имеет весьма ненадежный участок, который называют «горизонт Коши».
Как показывают соответствующие расчеты, едва лишь тело пробует пройти мимо данной точки, туннель схлопывается. Причем и при условии некой стабилизации «кротовой норы», она, как гласит квантовая теория, немедленно заполнится быстрыми частицами высокой энергии.
Следовательно, как сунешься в «черную дыру» Керра, так и останется от тебя сухая поджаренная корочка.
Причина — «жуткое дальнодействие»?
Дело в том, что физики пока не приспособили классические законы гравитации к квантовой теории - данный раздел математики слишком труден для понимания, и многими учеными ему так и не дано точное определение.
Одновременно принстонский ученый Хуан Мальсадена и его коллега из Стэнфорда Леонард Сасскинд предположили, что «кротовые норы», очевидно, - это не что иное, как материальное воплощение запутанности в то время, когда соединяются квантовые объекты - независимо от того, удалены ли они друг от друга.
У Альберта Эйнштейна было свое название такой запутанности - «жуткое дальнодействие», великий физик и не думал соглашаться с общепринятой точкой зрения. Несмотря на это, многими экспериментами доказано существование квантовой запутанности. Более того, она уже используется в коммерческих целях - с ее помощью защищается передача данных в режиме онлайн, к примеру банковских операций.
Как считают Мальсадена и Сасскинд, в больших объемах квантовая запутанность в состоянии повлиять на изменение геометрии пространственно-временного континуума и способствовать возникновению «кротовых нор», имеющих форму сцепленных «черных дыр». Но гипотеза этих ученых не допускает возникновения проходимых межзвездных туннелей.
По словам Мальсадены, данные туннели, с одной стороны, не дают возможности летать быстрее скорости света, а с другой - могут помочь астронавтам все же встретиться там, внутри, с кем-нибудь «иным». Удовольствия, правда, от подобной встречи никакого, поскольку за встречей последует неминуемая гибель от гравитационного удара в центре «черной дыры».
Словом, «черные дыры» - реальная преграда на пути освоения человеком космоса. В таком случае, что могут представлять собой «кротовые норы»? Как полагает ученый Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Ави Леб, у людей на данный счет имеется множество вариантов: раз отсутствует теория, объединяющая общую теорию относительности с квантовой механикой, мы не в курсе всего набора возможных пространственно-временных структур, где возможно появление «кротовых нор».
Они коллапсируют
Но тут тоже не все так просто. Тот же Кип Торн в 1987 году установил особенность для любой «кротовой норы», соответствующей общей теории относительности, коллапсировать в случае, если ее не попробовать удержать в открытом состоянии за счет так называемой экзотической материи, имеющей отрицательную энергию или антигравитацию. Торн уверяет: факт существования экзоматерии можно установить экспериментальным путем.
Эксперименты покажут, что квантовые флуктуации в вакууме, очевидно, способны создавать отрицательное давление между двумя зеркалами, которые помещены совсем рядом.
В свою очередь, как считает Ави Леб, если наблюдать так называемую темную энергию, то эти исследования дадут еще больше оснований увериться в существовании экзотической материи.
Ученый Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики говорит, что «…мы видим, как на протяжении недавней космической истории галактики удаляются от нас со скоростью, возрастающей во времени, как будто на них действует антигравитация - такое ускоряющееся расширение Вселенной можно объяснить, если Вселенная заполнена субстанцией с отрицательным давлением, именно тем материалом, который нужен для возникновения кротовой норы…».
Вместе с тем и Леб, и Торн полагают, что даже если «кротовая нора» в состоянии появиться естественным путем, то для этого потребуется масса экзотической материи. На накопление подобного энергетического запаса и последующей стабилизации такого туннеля будет способна лишь высокоразвитая цивилизация.
Во взглядах на данную теорию также «в товарищах согласья нет». Вот что, к примеру, думает о выводах Леба и Торна их коллега Мальсадена:
«…Полагаю, что идея стабильной проходимой кротовой норы недостаточно вразумительна и, судя по всему, не соответствует известным законам физики…» Сабина Хоссенфельдер из Скандинавского института теоретической физики в Швеции и вовсе разбивает выводы Леба-Торна в пух и прах: «…У нас нет абсолютно никаких доказательств существования экзотической материи. Более того, существует широко распространенное мнение, что она существовать не может, потому что, если бы она существовала, вакуум был бы нестабильным…»
Даже в случае существования подобной экзотической материи, развивает свою мысль Хоссен-фелъдер, передвигаться внутри нее было бы делом крайне неприятным: каждый раз ощущения находились бы в прямой зависимости от степени кривизны пространственно-временной структуры вокруг туннеля и от плотности энергии внутри него. Сабина Хоссенфельдер делает вывод:
«…Это очень похоже на „черные дыры»: слишком велики приливообразующие силы - и человека разорвет на куски…»
Парадоксально, но, невзирая на свой вклад в создание фильма «Interstellar», Торн тоже не особенно верит в то, что подобный проходимый туннель может когда-нибудь появиться. А в возможность прохождения через него (безо всякого вреда!) - астронавтов - и подавно. Он сам в этом признается в своей книге:
«…Если они [тоннели] и могут существовать, то я очень сомневаюсь, что они могут возникнуть в астрофизической Вселенной естественным образом…»
…Вот и верь после этого научно-фантастическим фильмам!