что такое кротовые норы во вселенной
Нырнул и исчез: что такое кротовые норы и почему их до сих пор не нашли
Кротовая нора — это гипотетический астрофизический объект с искажением пространства и времени, в теории дающий возможность путешествовать даже сквозь разные вселенные. Как ее можно представить?
По-научному
В 1935 году физики-теоретики Альберт Эйнштейн и Натан Розен сделали смелое предположение о том, что в мире где-то должны существовать такие пространственно-временные «каналы», которые могут соединить две вселенные. Эти так называемые «мосты» Эйнштейна-Розена, представляющие собой сложные пространственные структуры, позднее получили название «кротовые норы» (аналог английского слова wormhole, «червоточина», предложенного физиком Джоном Уилером, который также ввел термин black hole — «черная дыра»).
Кстати, как указывает в своей диссертации астрофизик Александр Шацкий, термин «кротовая нора» победил в голосовании, которое проводилось в 2004 году среди семи русскоговорящих ученых, имеющих публикации по этой тематике.
По-простому
Как объясняет профессор Государственного астрономического института имени Штернберга Владимир Липунов, представить кротовую нору можно, сложив листок бумаги пополам, а затем проткнув его. Получившееся отверстие будет подобием кротовой норы.
Как работает кротовая нора?
Кротовые норы описываются уравнениями общей теории относительности. Для их возникновения и стабильного существования необходима экзотическая материя, например, с отрицательной энергией. Такое вещество не должно дать горловине кротовой норы схлопнуться под воздействием гравитации. Нора соединяет разные области пространства-времени.
А что с черной дырой?
Кротовые норы и черные дыры — два типа объектов, которые в зависимости от характеристик могут как быть очень похожими, так и сильно отличаться.
«Кротовые норы и черные дыры являются двумя разными типами решений уравнений общей теории относительности. Отличительная особенность черной дыры — это наличие горизонта событий, из пределов которого ничего не может вырваться обратно ввиду сильного гравитационного поля. У черной дыры обязательно есть горизонт событий, но она не обязательно связывает разные области пространства-времени или разные вселенные. А атрибут кротовой норы — как раз связь таких областей, но горизонта событий в ней может и не быть. И если у кротовой норы все же есть горизонт событий, снаружи она выглядит так же, как черная дыра», — поясняет заведующий кафедрой теоретической физики Московского физико-технического института Эмиль Ахмедов.
Какими бывают кротовые норы?
Согласно исследованиям, существующие кротовые норы можно разделить на несколько подвидов:
Они внешне напоминают черную дыру, но внутри такой дыры нет сингулярности, то есть бесконечной плотности материи, которая разрывает и уничтожает любую другую материю, попадающую в нее. В теории у таких нор даже нельзя поймать сигнал — они разрушаются слишком быстро.
Эти норы можно пересекать в обе стороны, что дает возможность для путешествий на большие расстояния без нарушения скоростного предела. Чтобы быть проходимой, кротовая нора должна быть заполнена темной материей.
Ряд ученых считает, что кротовые норы способны соединять не только точки в нашей вселенной, но и стать «коридорами» во вселенные параллельные.
Если один из входов в кротовую нору движется относительно другого, или если он находится в мощном гравитационном поле, где замедляется временной поток, то такая нора способна стать настоящей машиной времени.
Почему кротовые норы до сих пор не обнаружены?
Принцип функционирования кротовых нор теоретически обоснован, но экспериментально они пока не наблюдаются. Есть мнение, что микроскопические кротовые норы существуют в космическом пространстве на уровне взаимодействия элементарных частиц высоких энергий. Есть ли в природе широкие кротовые туннели, еще неизвестно. Современные технические устройства пока не позволяют увидеть эти объекты, но технологии развиваются.
Стоит ли вообще искать кротовую нору?
Конечно, каждому писателю-фантасту или же режиссеру фильма о космосе подвластно создать кротовую нору любых размеров и проявлений. Однако ученые, порой, под сомнение ставят не только вопрос целесообразности изучения кротовой норы, но и сам факт ее существования.
«Говоря о кротовой норе, мы имеем дело с так называемым парадоксом Энрико Ферми, который можно сформулировать в одно простое изречение: «Если бы что-то существовало, то мы бы давно это увидели». Пока что достоверных и научно доказанных фактов существования кротовых нор, к сожалению, нет. Иначе, как я люблю говорить, уже бы давно в каждой квартире налогоплательщика была бы кротовая нора», — отметил Владимир Липунов.
Однако, по мнению Эмиля Ахмедова, не все так просто и категорично. Однозначно утверждать, что кротовые норы существуют только математически и на бумаге, нельзя. По словам ученого, уравнения Эйнштейна не очень ограничительные — это значит, что у них много различных решений, и не все из них обязаны реализоваться в природе. Например, белые дыры существуют как решения уравнений гравитации, но вполне вероятно, что в природе их нет. При этом черные дыры регистрируются, и уже есть их фото. Еще один важный факт — некоторые из этих гипотетических объектов неустойчивы, т.е. живут достаточно короткое время, как поставленная на ребро монета, которая может упасть при малейшем дуновении ветра.
Можно ли создать кротовую нору искусственно?
В теории, в далеком будущем и при должном уровне развития ускорительной техники — да.
«Для создания кротовой норы, которая позволит быстро перемещаться между различными областями Вселенной, нужна экзотическая энергия, например, темная энергия достаточно высокой плотности или энергия микроскопических квантовых флуктуаций. Микроскопические кротовые норы, возможно, удастся создать в далеком будущем. Для этого нужны очень высокие энергии, которые пока не реализуются на современных ускорителях, но могут быть достигнуты с их развитием. А вот как искусственно создать большие кротовые норы, которые позволят космическому кораблю быстро перелететь в удаленную область нашей Вселенной, пока не очень ясно», — отмечает Эмиль Ахмедов.
Возможны ли путешествия сквозь кротовые норы?
Пока что идея кротовой норы — единственная надежда человечества на путешествия на очень большие расстояния за разумное время.
Учитывая существующий уровень технологий, человечеству в обозримом будущем удастся создать звездолеты, которые будут тратить десятки или даже сотни лет на путешествия до ближайших звезд. На этих аппаратах должны будут смениться целые поколения космонавтов. А вот с использованием кротовых нор можно было бы сильно ускорить такие путешествия, как это было показано в «Стартреке» или «Интерстелларе».
Кем нора «вырыта» сегодня?
Сложности исследования и гипотетического создания кротовых нор связаны со спецификой уравнений Эйнштейна и поиском той самой экзотической материи. Но ученые продолжают «копать», пусть и работа над всесторонним изучением решений уравнений гравитации и их технической реализацией займет не одно столетие.
«Недавно удалось найти несколько интересных решений, вроде кротовых нор, для которых достаточно и обычной материи. Их предложил профессор Хуан Малдасена из Принстона в соавторстве с бывшими студентами МФТИ Федором Поповым и Алексеем Милехиным. У этих решений есть недостатки с точки зрения реализации быстрых космических путешествий. Но не исключено, что в будущем получится найти кротовые норы с обычной материей, имеющие достаточно большие размеры и существующие достаточно долго. Если это удастся, то останется преодолеть технологические сложности — создать такую нору на практике, чтобы в нее смог пролететь космический корабль», — добавил Ахмедов.
Что такое червоточины? (Кротовая нора)
Многие ученые и астрономы считают, что червоточины реальны. Многие вещи в астрофизике и теоретической физике никогда не были открыты, но, как говорится, «математика работает», что означает, что они возможны. Считается, что если червоточины действительно существуют, то они являются результатом первобытной микроскопической червоточины, которая была расширена в начале Вселенной, непосредственно после Большого взрыва.
Некоторые люди называют их кратчайшими путями во вселенной, в то время как другие утверждают, что они могут быть средством путешествия во времени. Дело в том, что они увлекательны, сложны и очень запутанны для некоторых людей, даже если они видели «Интерстеллар».
Наука о червоточине
Предложение заключается в том, что два огромных массивных объекта (рты) могут изгибать пространство-время до такой точки, что они соединятся друг с другом через мост (горло). В теории это, конечно, значительно сократило бы время путешествия между этими двумя точками во вселенной, которые могли бы находиться на расстоянии миллиардов световых лет или всего лишь нескольких метрах. Другое, ещё более исключительное объяснение, заключается в том, что червоточины могут не только соединить два отдалённых места в нашей нынешней вселенной, но и фактически связывать другие вселенные!
Это горло может быть прямым маршрутом, или изогнутым путем, который пересекает более высокое измерение с очень далекой «другой стороной». Изогнутая двухмерная плоскость обычно является лучшим способом представить себе этот сценарий. Когда два объекта со значительной массой изгибают эту плоскость по направлению к противоположной стороне, теоретически может быть выполнено соединение. Мы говорим «теоретически», потому что, несмотря на то, что червоточины вписываются в принципы общей относительности, никакой червоточины пока не обнаружено.
Теперь вы можете подумать: «Если мы никогда не находили их, то откуда нам знать, что они существуют?». Ну, это хорошая мысль. Многие вещи в астрофизике и теоретической физике никогда не были открыты, но, как говорится, «математика работает», что означает, что они возможны. Считается, что если червоточины действительно существуют, то они являются результатом первобытной микроскопической червоточины, которая была расширена в начале Вселенной, непосредственно после Большого Взрыва.
Итак, исходя из предположения, что кротовые норы могут существовать и существуют, вопрос, который волнует всех: когда мы можем начать их использовать? Что ж, своеобразная и экзотическая природа червоточин делает идею их использования очень далекой в будущем. Существует ряд основных проблем с поиском, использованием или даже эксплуатацией червоточин.
Проблема с червоточинами
Мосты Эйнштейна-Розена представляют собой реальную проблему, потому что они разрушаются и исчезают чрезвычайно быстро, поэтому их практически невозможно обнаружить, идентифицировать и изучить. Кроме того, некоторые теоретики утверждают, что червоточины могут происходить на микроскопическом уровне, проскальзывая и исчезая на квантовом уровне существования, который мы в настоящее время не можем наблюдать.
При этом всякий раз, когда возникает проблема или препятствие в теоретической физике, кто-то придумывает решение. Если первичной проблемой с изучением и использованием червоточин является их размер и короткая продолжительность, если эта проблема может быть противопоставлена, то прогресс может быть достигнут. Имея это в виду, существует теория, согласно которой «экзотическая материя» могла бы стабилизировать червоточину, чтобы ее можно было использовать в течение более длительного периода времени и обеспечить большую стабильность.
Кроме того, предсказывается, что во «рту» будет огромное количество радиации и сингулярность определённых червоточин, которые мгновенно окажутся смертельными и уничтожат всё, что приблизится к нему. Интенсивные гравитационные силы также, скорее всего, разорвут на куски любой корабль или человека, прежде чем они смогут пройти через червоточину. Если черная дыра может разорвать звезду, представить невозможно, что она может сделать с человеком.
Существуют ли разные типы червоточин?
Проходимые червоточины: это тип червоточины, в которой люди могут путешествовать через мост пространства-времени несколько раз в обоих направлениях, не нанося никакого вреда. Для того чтобы этот тип червоточины оставался стабильным и открытым, потребуется экзотическая материя, поскольку экзотическая материя будет сопротивляться естественной тенденции червоточины мгновенно сжиматься.
Червоточины Шварцшильда: их можно пройти только в одном направлении, и они являются примером моста Эйнштейна-Розена. После уплотнения до невероятной и конечной плотности в сингулярности вы затем выполните тот же процесс в обратном порядке в устье другой черной дыры.
Возможно ли путешествие во времени через червоточину?
Несмотря на то, что этот вопрос все еще не решен, поскольку до сих пор остается так много нерешенных загадок, когда дело доходит до червоточин, общепринятое мнение заключается в том, что они не позволят путешественникам вернуться во времени. Проще говоря, путешествия во времени кажутся возможными в рамках общей теории относительности, но это не влияет на реалии квантовой физики.
В то время как открытие червоточины станет невероятным моментом в истории астрономии, многие другие, многие другие проблемы и особенности червоточин, скорее всего, помешают людям проверить любую из наших теорий путешествий во времени на десятилетия вперед.
# чтиво | Что такое «кротовая нора»?
Гипотетическая «кротовая нора», которую называют еще «кротовиной» или «червоточиной» (дословный перевод wormhole) представляет из себя некий пространственно-временной туннель, который позволяет переместиться объекту из пункта А в пункт Б во Вселенной не по прямой, а огибая пространство. Если проще, то возьмите любой листок бумаги, сложите его пополам и проткните, полученная дырка и будет той самой кротовой норой. Так вот есть теория, что пространство во Вселенной может быть условно таким же листом бумаги, только с поправкой на третье измерение. Различные ученые выводят гипотезы, что благодаря кротовым норам возможно путешествие в пространстве-времени. Но при этом никто не знает, какие именно опасности могут представлять червоточины и что на самом деле может находиться по ту сторону от них.
Теория кротовых нор
В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен, используя общую теорию относительности, предположили, что во Вселенной существуют специальные «мосты» через пространство-время. Эти пути, которые назвали мостами Эйнштейна-Розена (или червоточинами), соединяют две совершенно разные точки в пространстве-времени путем теоретического создания искривления пространства, которое сокращает путешествие из одной точки в другую.
Опять же гипотетически любая кротовая нора состоит из двух входов и горловины (то есть того самого туннеля). При этом, скорее всего, входы у кротовой норы представляют сфероидальную форму, а горловина может представлять как прямой отрезок пространства, так и спиральный.
Общая теория относительности математически доказывает вероятность существования кротовых нор, но до сих пор ни одна из них не была обнаружена человеком. Сложность ее обнаружения заключается в том, что предполагаемая огромная масса кротовых нор и гравитационные эффекты просто поглощают свет и не дают ему отразиться.
Несколько гипотез, построенных на базе общей теории относительности, предполагают существование кротовых нор, где роли входа и выхода играют черные дыры. Но стоит учесть, что появление самих черных дыр, образующихся от взрыва погибающих звезд, никоим образом не создает кротовую нору.
Путешествие сквозь кротовую нору
В научной фантастике нередко встречается, что главные герои путешествуют сквозь кротовые норы. Но в реальности такое путешествие далеко не такое простое, как это показывают в фильмах и рассказывают в фантастической литературе.
Первая проблема, которая окажется на пути возможности таких путешествий, это размер кротовых нор. Считается, что самые первые кротовые норы были очень маленького размера, порядка 10-33 сантиметров, но за счет расширения Вселенной появилась вероятность того, что вместе с ней расширялись и увеличивались и сами червоточины. Другой проблемой, связанной с червоточинами, является их стабильность. А точнее, нестабильность.
Объясняемые теорией Эйнштейна-Розена кротовые норы будут бесполезны для пространственно-временных путешествий, потому что они очень быстро коллапсируют (закрываются). Но более свежие исследования этих вопросов подразумевают наличие «экзотической материи», которая позволяет норам сохранять свою структуру на более продолжительный промежуток времени.
Эта экзотическая материя, которую не следует путать с черной материей и антиматерией, состоит из энергии отрицательной плотности и колоссального отрицательного давления. Упоминание такой материи присутствует лишь в некоторых теориях вакуума в рамках квантовой теории поля.
И все же теоретическая наука считает, что если кротовые норы будут содержать достаточное количество этой экзотической энергии, которая либо появилась натуральным образом, либо появится искусственным образом, то возникнет возможность передачи информации или даже объектов через пространство-время.
Те же гипотезы предполагают, что кротовые норы могут соединять не только две точки в рамках одной вселенной, но и являться входом в другие. Некоторые ученые считают, что если переместить определенным образом один вход червоточины, то появится возможность путешествия во времени. Но, например, знаменитый британский космолог Стивен Хокинг считает, что такое использование червоточин невозможно.
Тем не менее некоторые научные умы настаивают, что если стабилизация кротовых нор за счет экзотической материи будет действительно возможна, то появится и возможность для безопасного путешествия людей сквозь такие кротовые норы. А за счет «обычной» материи, при желании и необходимости, такие порталы можно будет обратно дестабилизировать.
К сожалению, сегодняшних технологий человечества недостаточно для того, чтобы кротовые норы можно было искусственно увеличивать и стабилизировать, на тот случай, если они все-таки будут обнаружены. Но ученые продолжают исследовать концепции и методы для быстрых космических путешествий и, возможно, однажды наука придет к правильному решению.
Французский физик доказал стабильность кротовых нор
Кротовые норы, допускающие быстрое перемещение в другую часть Вселенной или даже совершать путешествия во времени, могут быть не только возможны, но и стабильны. Об этом говорит новая теория, развитая французским физиком Паскалем Койраном из Высшей нормальной школы в Лионе, применившим для своих вычислений модифицированную метрику Эддингтона — Финкельштейна. Его статья, появившаяся в октябре в базе данных препринтов arXiv.org, планируется к публикации в ближайшем выпуске Journal of Modern Physics D.
Возможность существования кротовых нор, или пространственно-временных туннелей, проколов в метрике, позволяющих быстро преодолевать практически любые расстояния, была предсказана на основе Общей теории относительности Эйнштейна. По-английски их именуют «червоточины» (wormholes), это название в 1956 году ввел в оборот Джон Уилер, которому наука обязана также термином «черная дыра».
До нового исследования физика Паскаля Койрана было широко распространено мнение, что для поддержания «червоточины» в открытом состоянии потребуется некая теоретическая экзотическая материя, поскольку иначе туннель быстро исчезнет после его создания без силы, удерживающей его от «схлопывания».
«Никто не знает, с чего начать, и можно ли сделать червоточину в реальности, но думать о них довольно забавно, и они отлично подойдут для исследования нашей огромной Вселенной»,
— пояснила в своем комментарии для газеты Daily Express австралийский астрофизик Ханна Миддлтон из Мельбурнского университета.
Обычно проблема построения кротовых нор заключается в том, чтобы подобрать такую конфигурацию материи и энергии, чтобы это позволило сформировать стабильный туннель, пропускающий не только отдельные частицы, но и крупные тела. К тому же кротовые норы, «построенные» обычным способом в рамках Общей теории относительности, оказывались фактически непроходимыми. Входы в такие кротовые норы скрываются за горизонтом событий, который остается для нас непреодолимым препятствием. Это означает, что если человек даже попадет в такую кротовую нору, то выбраться из нее уже не сможет.
Другая проблема связана с тем, что макроскопические кротовые норы могут оказаться очень нестабильными — если даже одиночный фотон или другая легкая частица попадает в горловину, то вся червоточина неминуемо разрушится, прежде чем эта частица успеет дойти до конечной точки. Считалось, что для стабилизации кротовой норы необходимо создавать ее из экзотической материи, обладающей свойством отрицательной энергии, что опять же в рамках обычных теорий достижимо пока лишь в микроскопических квантовых масштабах.
Новая теория противоречит предыдущим предсказаниям о том, что все эти образования должны мгновенно схлопываться и дает шанс на построение стабильных кротовых нор. Вся разница тут в небольших отличиях математических теорий, используемых для описания таких червоточин, которые в конечном итоге кардинально меняют общую картину их поведения.
Хотя основные правила общей теории относительности неизменны, теория предоставляет большую свободу для математического описания координат перемещающихся объектов — физики именуют эти разные описания «метриками». Различные метрики можно представить как разные способы описания того, как добраться до того или иного пункта назначения — руководствуясь, скажем, широтой и долготой по спутниковому навигатору или какими-то относительными ориентирами вроде названий улиц.
Точно так же физики могут использовать разные метрики для описания одной и той же ситуации, и иногда одна метрика бывает более полезна, чем другая. Когда дело доходит до черных дыр и кротовых нор, тут есть несколько потенциальных возможностей описания их поведения. Самая известная метрика Шварцшильда, названная в честь немецкого физика и астронома Карла Шварцшильда, позволила впервые описать свойства черных дыр, однако описывая «маршруты» движения через кротовые норы с помощью этой метрики, физики сталкиваются с трудностями на определенной дистанции от объекта, определяемой как радиус Шварцшильда, или горизонт событий. Разрушение метрики, происходящее в таких случаях, не позволяет корректно описывать разные точки в пространстве-времени.
Есть, впрочем, и альтернатива — еще одна метрика, называемая метрикой Эддингтона — Финкельштейна, которая описывает, что происходит с частицами, когда они достигают горизонта событий: они проходят сквозь черную дыру и падают в нее, чтобы никогда больше не появиться в прежнем мире. Одним из преимуществ этой системы координат считается то, что особенности на радиусе Шварцшильда она трактует всего лишь как координатные сингулярности, а не истинно физические. Но причем здесь кротовые норы? Дело в том, что самый «простой» способ построить кротовую нору — это «расширить» «обычную» черную дыру, соединив ее с противоположной, «зеркальной» сущностью, «белой дырой». Эта идея была впервые предложена Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном, поэтому кротовые норы иногда называют также «мостами Эйнштейна — Розена». В то время как черные дыры ничего не выпускают наружу, «белые дыры» никогда ничего не пропускают внутрь себя. Это и позволяет в итоге соорудить кротовую нору, туннель через пространство-время.
Если теоретически кротовую нору можно создать, то возникает вопрос: что произойдет, если кто-то все же попытается сквозь нее пройти? Стандартный ответ заключается в том, что сами по себе «белые дыры» нестабильны (и, вероятно, даже не существуют), а экстремальные силы внутри червоточины заставляют ее растягиваться и искажаться в момент ее образования.
Но Эйнштейн и Розен строили свою кротовую нору с помощью обычной метрики Шварцшильда, и большинство исследователей проблем построения кротовых нор используют ту же метрику. Поэтому физик Паскаль Койран из Ecole Normale Supérieure de Lyon во Франции попробовал нечто иное: вместо этого он использовал метрику Эддингтона — Финкельштейна.
Койран обнаружил, что, используя эту метрику, можно легко проследить путь частицы через гипотетическую кротовую нору. Выяснилось, что частица может пересечь горизонт событий, войти в туннель кротовой норы и уйти через другую «горловину», и все это за конечный промежуток времени. Метрика Эддингтона — Финкельштейна не дает сбоев ни на одном этапе этой траектории.
«Хорошо известно, что пробная масса, падающая в черную дыру, не достигает горизонта событий ни при каком конечном значении параметров в рамках метрики Шварцшильда, — говорится в исследовании. — Напротив, мы показываем, что горизонт событий достигается при конечном значении переменной времени в рамках метрики Эддингтона — Финкельштейна».
Означает ли это, что «мосты Эйнштейна — Розена» действительно устойчивы? Не совсем. Общая теория относительности говорит только о поведении гравитации, но не о других силах природы. Термодинамика, описывающая свойства макроскопических систем, свидетельствует о том, что белые дыры нестабильны. И если физики попытаются создать комбинацию черной дыры и белой дыры в реальной Вселенной, используя реальные материалы, то, согласно таким вычислениям, разнонаправленные силы разорвут всю эту конструкцию на части.
Тем не менее результат Койрана все равно интересен, потому что он указывает на то, что червоточины не так катастрофичны, как это казалось прежде, могут существовать стабильные пути через туннели кротовых нор — и это полностью разрешимо в рамках общей теорией относительности.