В научной фантастике червоточины , или кротовые норы , представляют собой метод, часто используемый для путешествий на очень большие расстояния в космосе. Действительно ли эти волшебные мосты могут существовать?
При всём моём энтузиазме относительно будущего человечества в космосе, есть одна очевидная проблема. Мы - мягкие мясные мешочки, состоящие в основном из воды, а те другие так далеки от нас. Даже при самых оптимистичных технологиях космических полётов мы можем себе представить, что никогда не достигнем другой звезды за время, равное продолжительности человеческой жизни.
Реальность говорит нам о том, что даже самые близкие к нам звёзды непостижимо далеки, и потребуется огромное количество энергии или времени, чтобы совершить это путешествие. Реальность говорит нам, что нам нужен космический корабль, который может как-то лететь сотни или тысячи лет, пока на нём рождаются астронавты, поколение за поколением, проживают свои жизни и умирают при перелёте к другой звезде.
Научная фантастика, с другой стороны, приводит нас к методам построения усовершенствованных двигателей. Врубай варп-двигатель и наблюдай, как звёзды проносятся мимо, совершая путешествие к Альфе Центавра также быстро и с удовольствием, как и в круизе на корабле где-то в море.
Кадр из фильма "Интерстеллар".
А знаете, что ещё проще? Червоточина; магический тоннель, соединяющий две точки пространства и времени между собой. Просто задайте пункт назначения, подождите, пока звёздные врата стабилизируются и просто пролетите... пролетите к своему пункту назначения через полгалактики.
Да, это действительно прикольно! Кому-то бы следовало изобрести эти червоточины, вступив в смелое новое будущее межгалактических путешествий. Что же такое червоточины, и как скоро я смогу их использовать? Спросите вы...
Кротовая нора, также известная как мост Эйнштейна-Розена - это теоретический метод сворачивания пространства и времени таким образом, что вы можете соединить две точки в космосе вместе. Тогда вы могли бы мгновенно перемещаться из одного места в другое.
Мы будем использовать классическую демонстрацию из , где вы рисуете линию между двумя точками на листе бумаги, а затем складываете бумагу и вставляете карандаш в эти две точки, чтобы сократить путь. Это прекрасно работает на бумаге, но реальная ли это физика?
Альберт Эйнштейн, запечатлённый на фотографии 1953 года. Фотограф: Рут Оркин.
Как учил нас Эйнштейн, гравитация - это не сила, которая притягивает материю как магнетизм, на самом деле это искривление пространства-времени. Луна думает, что она просто следует по прямой линии через пространство, но на самом деле она следует по искривлённой траектории, созданной гравитацией Земли.
И поэтому, по словам физиков Эйнштейна и Натана Розена, вы могли бы свить клубок пространства-времени настолько плотный, что две точки находились бы в одном и том же физическом местоположении. Если бы вы смогли поддерживать кротовую нору в стабильном состоянии, вы смогли бы безопасно разделять эти две области пространства-времени так, чтобы они всё ещё были в одном и том же местоположении, но разделены расстоянием, как вам нравится.
Спускаемся вниз гравитационного колодца с одной стороны червоточины, а затем молниеносно появляемся в другом месте на расстоянии в миллионы и миллиарды световых лет. Хотя создание червоточин теоретически возможно, они практически невозможны от того, что мы в настоящее время понимаем.
Первая большая проблема состоит в том, что кротовые норы непроходимы, согласно Общей Теории Относительности. Так что имейте это в виду, физика, которая предсказывает эти вещи, запрещает их использование в качестве метода транспортировки. Что является довольно серьёзным ударом по ним.
Художественная иллюстрация космического корабля, движущегося через червоточину в далёкую галактику. предоставлено: NASA.
Во-вторых, даже если червоточину можно будет создать, она скорее всего будет нестабильна, мгновенно закрываясь после создания. Если бы вы попытались зайти в один её конец, вы могли бы просто провалились в .
В-третьих, если они проходимы, и можно поддерживать их стабильными, как только любая материя попытается пройти через них - даже фотоны света - это бы разрушило кротовую нору.
Есть проблеск надежды, так как физики до сих пор не придумали, как объединить теории гравитации и квантовой механики. Это значит, что сама Вселенная может знать что-то о червоточинах, которые мы ещё не понимаем. Возможно, что они были созданы естественным образом как часть , когда пространство-время всей Вселенной было стянуто в сингулярность.
Астрономы предложили искать кротовые норы в космосе, глядя, как их гравитация искажает свет звёзд за ними. Ни одна ещё не объявилась. Одна из возможностей заключается в том, что червоточины выглядят естественно как виртуальные частицы, которые, как мы знаем, существуют. Только они были бы непостижимо малы, планковского масштаба. Вам понадобится космический корабль поменьше.
Одним из самых интересных следствий червоточины является то, что они могли бы вам позволить ещё и путешествовать во времени. Вот как это работает. Во-первых, создайте червоточину в лаборатории. Затем возьмите один её конец, положите в него космический корабль и летите на значительной доли скорости света, так что вступит в силу эффект замедления времени.
Для людей на космическом корабле пройдёт всего лишь несколько лет, в то время как на Земле сменятся сотни или даже тысячи поколений людей. Предполагая, что вы могли бы поддерживать червоточину стабильной, открытой и проходимой, тогда путешествие через неё было бы очень интересным.
Если вы прошли в одном направлении, вы бы не только прошли расстояние между кротовыми норами, но и переместились бы вперёд во времени, а на обратном пути: назад во времени.
Некоторые физики, такие как Леонард Сасскинд полагают, что это не сработает, потому что это бы нарушило два фундаментальных принципа физики: закон сохранения энергии и принцип неопределённости энергии-времени (Гейзенберга).
К сожалению, кажется, что в обозримом будущем червоточины должны будут оставаться в области научной фантастики, а может и навсегда. Даже если возможно будет создать кротовую нору, вам нужно будет поддерживать её стабильной, открытой, а затем вычислить, как позволить материи пройти в неё без коллапса. Всё-таки, если бы вы смогли вычислить это, вы сделали бы космические путешествия очень удобными.
Название прочитанной вами статьи "Что такое червоточины, или кротовые норы?" .
- Сергей Владиленович, что же такое кротовая нора?
Совсем строгого определения нет. Такие определения нужны, когда вы доказываете какие-то теоремы, а строгих теорем почти нет, поэтому в основном ограничиваются образными понятиями, картинками. Представьте себе, что мы вынули шар из нашего трехмерного пространства в одной комнате и точно такой же шар вынули в другой комнате, а получившиеся границы этих дыр склеили. Таким образом, когда мы в одной комнате шагнем внутрь этого бывшего шара, ставшего дырой, то вынырнем в другой комнате – из дыры, которая образовалась на месте другого шара. Если бы у нас пространство было бы не трехмерным, а двухмерным – это выглядело бы как лист бумаги, к которому приклеена ручка. Трехмерный аналог и его развитие во времени называется кротовой норой.
- Как вообще изучают кротовые норы?
Это чисто теоретическая деятельность. Кротовые норы никто никогда не видел, и, в общем, пока нет никакой уверенности, что они вообще существуют. Кротовые норы и начинали изучать, отталкиваясь от вопроса: нет ли в природе таких механизмов, которые гарантировали бы нам, что таких нор в природе существовать не может? Этих механизмов не нашли, поэтому можно предположить, что кротовые норы – явление реальное.
- Возможно ли, в принципе, увидеть кротовую нору?
Разумеется. Если в запертой комнате у вас вдруг ниоткуда вылезает человек, то вы наблюдаете кротовую нору. Кротовые норы как объект изучения придумал и пропагандировал американский физик-теоретик Джон Уилер, который с их помощью хотел объяснить, ни много, ни мало, – электрические заряды. Поясним. Описание свободного электрического поля с точки зрения теоретической физики – не очень сложная задача. А вот описать электрический заряд с той же точки зрения очень непросто. Электрический заряд предстает в этом смысле весьма загадочной вещью: какая-то субстанция, отдельная от поля, непонятного происхождения, и непонятно как с ним обращаться в классической физике. Идея же Уилера состояла в следующем. Допустим, у нас есть микроскопическая кротовая нора, которая пронизана силовыми линиями – с одного конца эти линии в нее входят, а с другого – выходят. Сторонний наблюдатель, который не знает, что эти два конца соединены силовыми линиями, такой объект будет воспринимать как простую сферу в пространстве, будет исследовать поле вокруг нее, и оно будет выглядеть так, как поле точечного заряда. Только наблюдателю будет казаться, что это какая-то загадочная субстанция, у которой есть заряд и т.д., а все потому, что он не знает, что на самом деле это – кротовая нора. Конечно, это очень элегантная идея, и многие пытались ее развить, но особенно не продвинулись, потому что электроны – это, все-таки, квантовые объекты, а кротовые норы на квантовом уровне никто, естественно, описывать не умеет. Но если предположить, что гипотеза справедлива, то кротовые норы – более, чем повседневное явление, все, что связано с электричеством, будет завязано, в конечном счете, именно на них.
Экзотическая материя - классическое понятие физики, описывающее любое (как правило, гипотетическое) вещество, которое нарушает одно или несколько классических условий, либо не состоит из известных барионов. Подобные вещества могут обладать такими качествами, как отрицательная плотность энергии или отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Экзотическая материя используется в некоторых теориях, например, в теории о строении кротовых нор. Наиболее известным представителем экзотической материи является вакуум в области с отрицательным давлением, производимым эффектом Казимира.
- Какие бывают кротовые норы?
С точки зрения теоретических путешествий бывают проходимые и непроходимые кротовые норы. Непроходимые – это те, проход через которые разрушается, причем происходит это настолько быстро, что перейти из одного конца в другой никакой объект просто не успевает. Конечно, наиболее интересен для изучения второй вид кротовых нор – проходимые. Есть даже красивая теория, которая гласит: то, что мы привыкли считать сверхмассивными черными дырами в центрах галактик – это на самом деле устья кротовых нор. Теория эта почти не развита и не нашла, естественно, пока никакого подтверждения, она существует, скорее, как некая идея. Суть ее в том, что снаружи от кротовой норы вы только видите, что в центре галактики находится некий сферически симметричный объект, но что он собой представляет – кротовую нору или черную дыру – сказать вы не можете, поскольку находитесь снаружи этого объекта.
Фактически отличить их можно только по одному параметру – массе. Если масса оказывается отрицательной, то это наверняка кротовая нора, а вот если масса положительная, тот тут нужна дополнительная информация, потому что и черная дыра может оказаться кротовой норой. Отрицательная масса вообще – это один из центральных моментов всей истории с кротовыми норами. Потому что для того, чтобы быть проходимой – кротовая нора должна быть заполнена тем, что называется экзотическим веществом – веществом, у которого хотя бы местами, в каких-то точках плотность энергии является отрицательной. На классическом уровне никто никогда такого вещества не видел, но мы точно знаем, что оно в принципе может существовать. Зарегистрированы квантовые эффекты, которые приводят к возникновению такого вещества. Это довольно известный феномен и называется он эффект Казимира. Он был официально зарегистрирован. И связан как раз с существованием отрицательной плотности энергии, что очень вдохновляет.
Эффект Казимира - эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идет о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещенных на близком расстоянии, но эффект Казимира существует и при более сложных геометриях. Причина эффекта – энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нем виртуальных частиц. Эффект был предсказан голландским физиком Хендриком Казимиром в 1948 году, а позднее подтвержден экспериментально.
Вообще, в квантовой науке отрицательная плотность энергии – это довольно распространенная вещь, с которой связано, например, хокинговское испарение. Если же такая плотность существует – мы можем задать следующий вопрос: насколько велика масса черной дыры (параметр создаваемого ею гравитационного поля)? Есть решение этой задачи, которое применимо к черным дырам – то есть объектам с положительной массой, а есть решение, применимое для отрицательной массы. Если экзотической материи в кротовой норе будет достаточно много, то снаружи масса этого объекта будет отрицательной. Поэтому один из главных видов «наблюдений» кротовых нор – это отслеживание объектов, в отношении которых можно предположить, что они имеют отрицательную массу. И если мы такой объект найдем, то с довольно большой долей вероятности можно будет сказать, что это – кротовая нора.
Кротовые норы делятся также на внутримировые и межмировые. Если мы разрушим тоннель между двумя устьями второго вида нор – мы сможем увидеть две совершенно несвязанные между собой вселенные. Такая кротовая нора называется межмировой. Но если мы проделаем то же самое и увидим, что все нормально – мы остались в той же Вселенной, – то перед нами внутримировая кротовая нора. У этих двух видов кротовых нор очень много общего, но есть и важное различие. Дело в том, что внутримировая кротовая нора, если она существует, склонна превращаться в машину времени. Собственно, именно на фоне этого предположения и возник последний всплеск интереса к кротовым норам.
Кротовая нора в представлении художника
©depositphotos.com
В случае внутримировой кротовой норы существует два разных способа взглянуть на соседа: непосредственно через тоннель или окольным путем. Если вы начнете одно устье кротовой норы двигать относительно другого, то в соответствии с хорошо известным парадоксом близнецов, второй человек, вернувшись из путешествия, окажется моложе остававшегося. А с другой стороны, когда вы смотрите через тоннель – вы оба сидите в неподвижных, с вашей точки зрения, лабораториях, у вас ничего не происходит, часы ваши синхронизированы. Таким образом, у вас есть теоретическая возможность нырнуть в этот тоннель и вылезти в момент, который с точки зрения внешнего наблюдателя предшествует тому моменту, когда вы нырнули. Доведенная до соответствующей степени задержка породит возможность такого кругового путешествия в пространстве-времени, когда вы вернетесь в исходное место отправления и пожмете своему предыдущему воплощению руку.
Парадокс близнецов - мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются «доказать» противоречивость специальной теории относительности. Согласно СТО, с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются. С другой стороны, принцип относительности декларирует равноправие инерциальных систем отсчета. На основании этого строится рассуждение, приводящее к кажущемуся противоречию. Для наглядности рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (путешественник) отправляется в космический полет, а второй (домосед) – остается на Земле. Чаще всего «парадокс» формулируется следующим образом:
С точки зрения домоседа, часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому при возвращении они должны отстать от часов домоседа. С другой стороны, относительно путешественника двигалась Земля, поэтому отстать должны часы домоседа. На самом деле братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время. Однако, согласно СТО, отставшими окажутся часы путешественника. В таком нарушении видимой симметричности братьев и усматривается противоречие.
- В чем принципиальная разница кротовой норы и черной дыры?
Прежде всего, надо сказать, что есть два типа черных дыр – те, что образовались в результате коллапса звезд, и те, что существовали изначально, возникли вместе с возникновением самой Вселенной. Это два принципиально разных типа черных дыр. В свое время было такое понятие, как «белая дыра», сейчас оно употребляется редко. Белая дыра – это та же черная, но эволюционирующая вспять по времени. В черную дыру вещество только залетает, а вырваться оттуда не может уже никогда. Из белой дыры, наоборот, вещество только вылетает, но попасть в нее никоим образом нельзя. На самом деле, это очень естественная вещь, если мы вспомним, что Общая Теория Относительности симметрична по времени, а, значит, если есть черные дыры – должны существовать и белые. Их совокупность представляет собой кротовую нору.
Черная дыра в представлении художника
©VICTOR HABBICK VISIONS/SPL/Getty
- Что известно о внутреннем устройстве кротовых нор?
Пока в этом смысле только строятся модели. С одной стороны мы знаем, что появление этой экзотической материи возможно обнаружено даже экспериментально, и все равно остается масса вопросов. Единственная известная мне модель кротовой норы, более-менее согласованная с реальностью – это модель изначально испаряющейся (со времен возникновения Вселенной) кротовой норы. За счет этого испарения такая нора надолго остается проходимой.
- Над чем именно работаете вы?
Я занимаюсь чисто теоретической деятельностью, то, что обобщенно можно назвать причинной структурой пространства-времени – это классическая Теория Относительности, иногда полуклассическая (квантовой пока, как известно, не существует).
В классической нерелятивистской теории можно придумать достаточно убедительные доказательства того, что путешествий во времени быть не может, а вот в ОТО таких доказательств нет. И Эйнштейн, когда только разрабатывал свою теорию, это осознавал. Ему было интересно, нет ли какого-то способа такую возможность исключить. Тогда он с этой задачей не справился, как он сам позже и говорил. И хотя Эйнштейн создал язык для изучения этого вопроса, задача так и оставалась академической. Всплеск интереса к ней случился в конце 1940-х годов, когда Гёдель предложил космологичекую модель, содержащую такие замкнутые кривые. Но поскольку Гёдель всегда предлагал что-то экзотическое – к этому отнеслись с интересом, но без серьезных научных последствий. А потом, где-то в конце прошлого века, благодаря, в основном, фантастике – например, фильму «Контакт» с Джоди Фостер – интерес к теме путешествий во времени с помощью кротовых нор снова возродился. Автор романа, по которому написан сценарий фильма, – это очень известный астроном, популяризатор науки Карл Саган. Он подошел к делу очень серьезно и попросил своего друга, тоже очень известного релятивиста, Кипа Торна, посмотреть возможно ли все, что описано в фильме с точки зрения науки. И тот опубликовал полупопулярную статью в журнале для американских учителей физики «Кротовые норы как орудие изучения Общей Теории Относительности», где рассматривал возможность путешествий во времени сквозь кротовые норы. А надо сказать, что тогда в научной фантастике была популярна идея путешествий сквозь черные дыры. Но он понимал, что черная дыра – объект абсолютно непроходимый – путешествия сквозь них невозможны, поэтому рассматривал кротовые норы как возможность путешествий во времени. Хотя это было известно до этого, но люди почему-то восприняли его выводы как совершенно свежую мысль, и бросились ее исследовать. Причем, акцент был на презумпции того, что машины времени существовать не может, но решили выяснить почему. И довольно быстро пришло понимание, что никаких очевидных возражений против существования такой машины вовсе нет. С тех пор начались уже более масштабные исследования, стали появляться теории. В общем-то, с тех самых пор этим занимаюсь и я.
«Контакт» – научно-фантастический фильм 1997 года. Режиссер – Роберт Земекис. Основной сюжет: Элли Эрроуэй (Джуди Фостер) всю свою жизнь посвятила науке, она становится участницей проекта по поиску внеземного разума. Все попытки поиска внеземных сигналов бесплодны, и будущее ее проекта под угрозой. Элли отчаивается найти поддержку, но неожиданно получает помощь от эксцентричного миллиардера Хэддена. И вот результат – Элли улавливает сигнал. Расшифровка сигнала показывает, что в нем содержится описание технического устройства. Назначение его непонятно, но внутри задумано место на одного человека.
После создания и запуска устройства Элли отправляется в путешествие по системе кротовых нор и переносится, вероятно, на планету в иной звездной системе. Очнувшись там, на берегу моря, она встречает представителя иной цивилизации, который выбрал образ ее покойного отца. Оглянувшись вокруг, героиня понимает, что эта местность воссоздана инопланетным разумом в ее сознании по образу рисунка, нарисованного ею в детстве. Инопланетянин говорит ей, что устройство позволяет организовать систему межзвездных путей сообщения, и Земля отныне становится членом сообщества цивилизаций Вселенной.
Элли возвращается на Землю. С точки зрения сторонних наблюдателей, с ней после запуска установки ничего не произошло, и нашу планету ее тело не покидало. Элли оказывается в парадоксальной ситуации. Будучи ученым, она с точки зрения строгой науки никак не может подтвердить свои слова. Выясняется также и еще одно обстоятельство: видеокамера, прикрепленная к Элли во время путешествия, ничего не записала, но продолжительность пустой записи составила не несколько секунд, а 18 часов…
- Возможно ли «сделать» кротовую нору?
Как раз насчет этого существует строгий научный результат. Это из-за того, что точных результатов по изучению кротовых нор нет. Есть теорема, доказанная уже очень давно, и она говорит вот о чем. Есть такое понятие, как глобальная гиперболичность. В данном случае совершенно неважно, что оно означает, но суть в том, что пока и поскольку пространство глобально гиперболично, кротовую нору создать невозможно – она может существовать в природе, но сделать ее самим не получится. Если глобальную гиперболичность вам нарушить удастся, то, может быть, вы и сможете породить кротовую нору. Но дело в том, что это нарушение само по себе настолько экзотическая вещь, настолько плохо изученная и малопонятная, что побочный результат в виде рождения кротовой норы – это уже сравнительно мелочь по сравнению с самим фактом того, что вам удалось нарушить глобальную гиперболичность. Здесь имеет место очень известная вещь, называемая «принципом строгой космической цензуры», который говорит, что пространство всегда глобально гиперболично. Но это, в принципе, не более, чем пожелание. Нет никаких доказательств верности этого принципа, просто есть некая внутренняя уверенность, присущая многим людям, что пространство-время должно быть глобально гиперболичным. Если это так, кротовую нору создать невозможно – надо искать существующую. Между тем, суровые сомнения в верности принципа космической цензуры были высказаны самим автором – Роджером Пенроузом, но это уже другая история.
- То есть для создания кротовой норы требуются какие-то серьезные энергетические затраты?
Тут очень трудно что-то сказать. Беда в том, что когда у вас нарушается глобальная гиперболичность, то одновременно нарушается и предсказуемость – это практически одно и то же. Вы можете как-то геометрически менять пространство возле себя, например, взять сумку и поставить ее в другое место. Но есть определенные пределы, в которых вы можете это делать, в частности, предел, налагаемый предсказуемостью. Например, иногда вы можете сказать, что произойдет через 2 секунды, а иногда – нет. Грань того, что вы можете или не можете предсказать, как раз и пролегает по глобальной гиперболичности. Если у вас пространство-время глобально гиперболично – вы можете предсказывать его эволюцию. Если мы допускаем, что в какой-то момент оно нарушает глобальную гиперболичность – с предсказуемостью все становится очень плохо. Поэтому возникает удивительная вещь, например, такая, что прямо здесь и сейчас может материализоваться кротовая нора, сквозь которую выскочит лев. Это будет экзотическое явление, но оно не будет нарушать никаких законов физики. А с другой стороны, вы можете затратить кучу сил, денег и ресурсов, чтобы как-то облегчить этот процесс. Но результат все равно будет один и тот же – в обоих случаях вы не знаете, появится кротовая нора или нет. В классической физике мы с этим поделать ничего не можем – захочет, возникнет, не захочет – не возникнет – квантовая же наука никаких подсказок в этом вопросе нам пока не дает.
Принцип «космической цензуры» был сформулирован в 1969 году Роджером Пенроузом в следующей образной форме: «Природа питает отвращение к голой сингулярности». Он гласит, что сингулярности пространства-времени появляются в таких местах, которые, подобно внутренним областям черных дыр, скрыты от наблюдателей. Этот принцип до сих пор не доказан, и есть основания сомневаться в его абсолютной правильности (например, коллапс пылевого облака с большим угловым моментом приводит к «голой сингулярности», но неизвестно, стабильно ли это решение уравнений Эйнштейна относительно малых возмущений начальных данных).
Формулировка Пенроуза (сильная форма космической цензуры) предполагает, что пространство-время в целом является глобально гиперболическим.
Позднее Стивен Хокинг предложил другую формулировку (слабую форму космической цензуры), где предполагается только глобальная гиперболичность «будущего» компонента пространства-времени.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В фантастических романах описываются целые транспортные сети, соединяющие звездные системы и исторические эпохи, так называемые порталы, машины времени. Но гораздо более удивительным представляется то, что машины времени и тоннели в пространстве вполне серьезно, как гипотетически возможные, активно обсуждаются не только в статьях по теоретической физике, на страницах солидных научных изданий, но и в средствах массовой информации. Появилось много сообщений об открытии учеными неких гипотетических объектов, называемых «кротóвыми норами».
Подбирая материал к НПК по теме «Чёрные дыры», мы столкнулись с понятием «Кротóвые норы». Данная тема нас заинтересовала, и мы провели сравнение между ними.
Цель работы: Сравнительный анализ чёрных дыр и кротóвых нор.
Задачи: 1. Собрать материал о чёрных дырах и кротóвых норах;
2. Сделать подробный анализ полученной информации;
3. Сравнить чёрные дыры и кротóвые норы;
4. Создать познавательный фильм для учащихся.
Гипотеза: Возможно ли путешествие в пространстве-времени благодаря кротóвым норам.
Объект исследования: литература и другие ресурсы о кротóвых норах и чёрных дырах.
Предмет исследования: версии о существовании кротовых нор.
Методы: изучение литературы; использование Интернет-ресурсов.
Практическая значимость данной работы заключается в том, чтобы собранный материал использовать в учебных целях на уроках физики и во внеклассных занятиях по этому предмету.
В представленной работе использовались материалы научных статей, периодической печати, ресурсы сети Интернет.
Глава 1. Историческая справка
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.
Теоретически кротóвая нора состоит из двух входов и горловины (то есть того самого туннеля). Входы в кротóвые норы представляют сфероидальную форму, а горловина может представлять, как прямой отрезок пространства, так и спиральный.
Долгое время эта работа не вызывала у астрофизиков большого интереса. Но в 90-е годы XX века интерес к таким объектам начал возвращаться. Прежде всего, возвращение интереса было связано с открытием в космологии темной энергии.
Англоязычным термином, который с 90-х годов прижился для «кротóвых нор» стал «wormhole» (вормхол), но первыми предложили этот термин еще в 1957 году американские астрофизики Мизнер и Уилер. На русский язык «wormhole» переводится как «червячная дыра». Такой термин не нравился многим русскоговорящим астрофизикам, и в 2004 году было принято решение провести голосование по различным предложенным терминам для таких объектов. Среди предложенных терминов были такие как: «червячная нора», «вормхол», «червоточина», «мост», «кротóвая нора», «туннель» и т.д. В голосовании участвовали русскоговорящие астрофизики, имеющие научные публикации по этой тематике. В результате этого голосования победил термин «кротовая нора».
В физике концепция кротовых нор возникла в 1916 г. ‒ всего через год после того, как Эйнштейн опубликовал свой великий труд ‒ общую теорию относительности. Физик Карл Шварцшильд, служивший тогда в кайзеровской армии, нашел точное решение уравнений Эйнштейна для случая изолированной точечной звезды. Вдалеке от звезды ее гравитационное поле очень похоже на поле обычной звезды; Эйнштейн даже воспользовался решением Шварцшильда при вычислении отклонения траектории света около звезды. Результат Шварцшильда произвел немедленное и очень сильное действие на все разделы астрономии, и сегодня он по-прежнему остается одним из самых известных решений уравнений Эйнштейна. Несколько поколений физиков использовали гравитационное поле этой гипотетической точечной звезды в качестве приближенного выражения для поля вокруг реальной звезды с конечным диаметром. Но если рассмотреть это точечное решение серьезно, то в центре его неожиданно обнаружится чудовищный точечный объект, который почти столетие изумлял и шокировал физиков, ‒ черная дыра.
Глава 2. Кротовая нора и черная дыра
2.1. Кротовая нора
Крото́вая нора́ ‒ предполагаемая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве.
Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной». Различают проходимые и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которые коллапсируют (разрушаются) слишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал успели добраться от одного входа до другого.
Разгадка кроется в том, что согласно эйнштейновской теории тяготения ‒ общей теории относительности (ОТО) четырехмерное пространство-время, в котором мы живем, искривлено, а знакомая всем гравитация и есть проявление такого искривления. Материя «прогибает», искривляет пространство вокруг себя, и ‒ чем она плотнее, тем сильнее искривление.
Одно из мест обитания «кротовых нор» ‒ центры галактик. Но здесь главное не перепутать их с черными дырами, огромными объектами, которые также находятся в центре галактик. Масса их ‒ миллиарды наших Солнц. При этом черные дыры обладают мощнейшей силой притяжения. Она настолько велика, что даже свет не может вырваться оттуда, поэтому разглядеть в обычный телескоп их невозможно. Сила притяжения «кротовых нор» также огромна, однако если заглянуть вовнутрь «кротовой норы», можно увидеть свет прошлого.
Кротовые норы, через которые может проходить свет и другая материя в обе стороны, называются проходимыми кротовыми норами. Существуют и непроходимые кротовые норы. Это такие объекты, которые внешне (на каждом из входов) являются как бы черной дырой, но внутри такой черной дыры нет сингулярности (сингулярностью в физике называют бесконечную плотность материи, которая разрывает и уничтожает любую другую материю, попадающую в нее). При этом свойство сингулярности обязательно для обычных черных дыр. А сама черная дыра определяется наличием у неё поверхности (сферы), из-под которой наружу не может вырваться даже свет. Такая поверхность называется горизонтом черной дыры (или горизонтом событий).
Таким образом, материя может попасть внутрь непроходимой кротовой норы, но выйти из нее уже не может (очень похоже на свойство черной дыры). Могут существовать и полупроходимые кротовые норы, в которых материя или свет может проходить по кротовой норе только в одну сторону, но не может проходить в другую.
Особенностями кротовых нор являются следующие характеристики:
Кротовая нора должна соединять между собой две не искривленные области пространства. Место соединения и называется кротовой норой, а его центральный участок ‒ горловиной кротовой норы. Пространство вблизи горловины кротовой норы достаточно сильно искривлено.
Кротовая нора может соединять либо две разные Вселенные, либо одну и ту же Вселенную в разных частях. В последнем случае расстояние через кротовую нору может оказаться короче, чем расстояние между входами, измеренное снаружи.
Понятия времени и расстояния в искривленном пространстве-времени перестают быть абсолютными величинами, т.е. такими, какими мы подсознательно всегда привыкли их считать.
Исследование моделей кротовых нор показывает, что для их стабильного существования в рамках теории относительности Эйнштейна необходима экзотическая материя. Иногда такую материю называют еще фантомной. Для стабильного существования кротовой норы достаточно сколько угодно малого количества фантомной материи - скажем всего 1 миллиграмм (а может и еще меньше). В этом случае остальная часть материи, поддерживающая кротовую нору, должна удовлетворять условию: сумма плотности энергии и давления равна нулю. А в этом ничего необычного уже нет: даже самое обыкновенное электрическое или магнитное поле удовлетворяет этому условию. Это как раз именно то, что нужно для существования кротовой норы со сколько угодно малой добавкой фантомной материи.
2.2. Черная дыра
Чёрная дыра ‒ область в пространстве-времени. Гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий.
Теоретически, возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна. Первое было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное». Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары», а также «застывшие звёзды».
Различают четыре сценария образования чёрных дыр:
два реалистичных:
гравитационный коллапс (сжатие) достаточно массивной звезды;
коллапс центральной части галактики или протогалактического газа;
и два гипотетических:
формирование чёрных дыр сразу после Большого Взрыва (первичные чёрные дыры);
возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.
Условия, при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению.
Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне.
25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра.
Исследователи чёрных дыр различают первичные чёрные дыры и квантовые. Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе ‒ их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр. В результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации.
Заключение
Если кротовая нора является непроходимой, то внешне ее практически невозможно отличить от черной дыры. На сегодняшний день теория физики кротовых нор и черных дыр является чисто теоретической наукой. Кротовые норы - это топологические особенности пространства-времени, описанные в рамках специальной теории относительности Эйнштейном в 1935 году.
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.
Проанализировав всю найденную информацию, мы узнали, чем отличаются кротовые норы от черных дыр и пришли к выводу, что мир космоса еще очень мало изучен, и человечество стоит на пороге новых открытий и возможностей.
На основе проделанного исследования был создан учебный фильм «Кротовые норы и Черные дыры», который используется на уроках астрономии.
Список использованных источников и литературы
Бронников, К. Мост между мирами / К. Бронников [Электронный ресурс] // Вокруг света. 2004. Май. - Режим доступа // http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/355/ (18.09.2017).
Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BD%D0%BE%D1%80%D0%B0 (30.09.2017);
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0 (30.09.2017).
Зима, К. «Кротовая нора» - коридор времени / К. Зима // Вести.ru [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.vesti.ru/doc.html?id=628114 (20.09.2017).
Кротовые норы и Черные дыры [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://ru.itera.wikia.com/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D0%BD%D0%BE%D1%80%D1%8B_%D0%B8_%D0%A7%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D1%8B (30.09.2017).
Кротовые норы. Популярная наука с Анной Урманцевой [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.youtube.com/watch?v=BPA87TDsQ0A (25.09.2017).
Кротовые норы пространства. [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.youtube.com/watch?v=-HEBhWny2EU (25.09.2017).
Лебедев, В. Человек в кротовой норе (обзор) / В. Лебедев // Лебедь. Независимый альманах. [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://lebed.com/2016/art6871.htm (30.09.2017).
Сквозь червоточину, Есть ли край у вселенной. [Электронный ресурс]. - Режим доступа // https://donetskua.io.ua/v(25.09.2017).
Черная дыра [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://ru-wiki.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0 (30.09.2017).
Черные дыры. Вселенная [Электронный ресурс]. - Режим доступа // https://my.mail.ru/bk/lotos5656/video/_myvideo/25.html (25.09.2017).
Что такое кротовая нора. Чтиво [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://hi-news.ru/research-development/chtivo-chto-takoe-krotovaya-nora.html (18.09.2017).
Шацкий, А. Кротовые норы: что это - миф, врата в другие миры или математическая абстракция? [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.znanie-sila.su/?issue=zsrf/issue_121.html&r=1 (18.09.2017).
Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия [Текст] / Глав. ред. М. Аксёнова; метод. ред. В. Володин, А. Элиович. - М.: Аванта, 2004. С. 412-413, 430-431, 619-620.
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,
КРОТОВАЯ НОРА — 1) астрофиз. Важнейшее понятие современной астрофизики и практической космологии. «Кротовая нора», или «кротовина», это транспространственный ход, соединяющий черную дыру и соответствующую ей дыру белую.
Астрофизическая «кротовая нора» протыкает свернутое в дополнительных измерениях пространство и позволяет перемещаться по действительно короткому пути между звездными системами.
Исследования, проведенные с использованием орбитального телескопа «Хаббл», показали, что каждая черная дыра является входом в «кротовую нору» (см. ХАББЛА ЗАКОН). Одна из самых больших нор находится в центре нашей Галактики. Теоретически показано (1993 г.), что именно из этой центральной норы и возникла Солнечная система.
По современным представлениям, наблюдаемая часть Вселенной буквально вся пронизана «кротовыми норами» идущими «туда-сюда». Многие крупные астрофизики полагают, что путешествия сквозь «кротовые норы» — будущее межзвездной космонавтики. «
Мы все привыкли к тому, что прошлого не вернуть, хотя порой очень хочется. Писатели-фантасты уже более века живописуют разного рода казусы, возникающие благодаря возможности путешествовать во времени и влиять на ход истории. Причем тема эта оказалась настолько животрепещущей, что в конце прошлого века даже далекие от сказок физики всерьез занялись поиском таких решений уравнений, описывающих наш мир, которые позволяли бы создавать машины времени и в мгновение ока преодолевать любые пространства и времена.
В фантастических романах описываются целые транспортные сети, соединяющие звездные системы и исторические эпохи. Шагнул в кабинку, стилизованную, скажем, под телефонную будку, и оказался где-то в туманности Андромеды или на Земле, но - в гостях у давно вымерших тиранозавров.
Персонажи подобных произведений постоянно используют нуль-транспортировки машины времени, порталы и тому подобные удобные приспособления.
Впрочем, любители фантастики воспринимают такие путешествия без особого трепета - мало ли что можно вообразить, относя реализацию придуманного к неопределенному будущему или к озарениям неведомого гения. Гораздо более удивительным представляется то, что машины времени и тоннели в пространстве вполне серьезно как гипотетически возможные активно обсуждаются в статьях по теоретической физике, на страницах самых солидных научных изданий.
Разгадка кроется в том, что согласно эйнштейновской теории тяготения - общей теории относительности (ОТО) четырехмерное пространство-время, в котором мы живем, искривлено, а знакомая всем гравитация и есть проявление такого искривления.
Материя «прогибает», искривляет пространство вокруг себя, и - чем она плотнее, тем сильнее искривление.
Многочисленные альтернативные теории тяготения, счет которым идет на сотни, отличаясь от ОТО в деталях, сохраняют главное - идею кривизны пространства-времени. И если пространство кривое, то почему бы ему не принять, к примеру, форму трубы, накоротко соединяющей области, разделенные сотнями тысяч световых лет, или, допустим, далекие друг от друга эпохи - ведь речь идет не просто о пространстве, а о пространстве-времени?
Помните, у Стругацких (тоже, кстати, прибегавших к нуль-транспортировке): «Совершенно не вижу, почему бы благородному дону не…» - ну, скажем, не слетать в XXXII век?…
Кротовые норы или черные дыры?
Мысли о столь сильном искривлении нашего пространства-времени возникли сразу после появления ОТО - уже в 1916 году австрийский физик Л. Фламм обсуждал возможность существования пространственной геометрии в виде некой норы, соединяющей два мира. В 1935 году А. Эйнштейн и математик Н. Розен обратили внимание на то, что простейшие решения уравнений ОТО, описывающие изолированные, нейтральные или электрически заряженные источники гравитационного поля, имеют пространственную структуру «моста», почти гладким образом соединяющего две вселенные - два одинаковых, почти плоских, пространства-времени.
Такого рода пространственные структуры позднее получили название «кротовые норы» (достаточно вольный перевод английского слова «wormhole» - «червоточина»).
Эйнштейн и Розен даже рассматривали возможность применения таких «мостов» для описания элементарных частиц. В самом деле, частица в этом случае - чисто пространственное образование, поэтому нет необходимости специально моделировать источник массы или заряда, а при микроскопических размерах кротовой норы внешний, удаленный наблюдатель, находящийся в одном из пространств, видит лишь точечный источник с определенными массой и зарядом.
Электрические силовые линии входят в нору с одной стороны и выходят с другой, нигде не начинаясь и не заканчиваясь.
По выражению американского физика Дж. Уилера, получается «масса без массы, заряд без заряда». И в этом случае вовсе не обязательно полагать, что мост соединяет две разные вселенные - ничуть не хуже предположение, что оба «устья» кротовой норы выходят в одну и ту же вселенную, но в разных ее точках и в разные времена - что-то вроде пустотелой «ручки», пришитой к привычному практически плоскому миру.
Одно устье, в которое входят силовые линии, можно видеть как отрицательный заряд (к примеру, электрон), другое, из которого они выходят, - как положительный (позитрон), массы же будут одинаковы с обеих сторон.
При всей привлекательности такой картины она (по многим причинам) не прижилась в физике элементарных частиц. «Мостам» Эйнштейна - Розена трудно приписать квантовые свойства, а без них в микромире делать нечего.
При известных значениях масс и зарядов частиц (электронов или протонов) мост Эйнштейна - Розена вообще не образуется, вместо этого «электрическое» решение предсказывает так называемую «голую» сингулярность - точку, в которой кривизна пространства и электрическое поле становятся бесконечными. Понятие пространства-времени, пусть даже искривленного, в таких точках теряет смысл, поскольку решать уравнения с бесконечными слагаемыми невозможно. Сама ОТО вполне определенно заявляет, где именно она перестает работать. Вспомним сказанные выше слова: «почти гладким образом соединяющего…». Вот это «почти» и относится к основному изъяну «мостов» Эйнштейна - Розена - нарушению гладкости в самом узком месте «моста», на горловине.
И нарушение это, надо сказать, весьма нетривиально: на такой горловине, с точки зрения удаленного наблюдателя, останавливается время…
По современным понятиям, то, что Эйнштейн и Розен рассматривали как горловину (то есть самое узкое место «моста»), на самом деле есть не что иное, как горизонт событий черной дыры (нейтральной или заряженной).
Более того, с разных сторон «моста» частицы или лучи попадают на разные «участки» горизонта, а между, условно говоря, правой и левой частями горизонта находится особая нестатическая область, не преодолев которую нельзя пройти нору.
Для удаленного наблюдателя космический корабль, приближающийся к горизонту достаточно крупной (по сравнению с кораблем) черной дыры, как бы навеки застывает, а сигналы от него доходят все реже и реже. Напротив, по корабельным часам горизонт достигается за конечное время.
Миновав горизонт, корабль (частица или луч света) вскоре неотвратимо упирается в сингулярность - туда, где кривизна становится бесконечной и где (еще на подходе) любое протяженное тело будет неизбежно раздавлено и разорвано.
Такова суровая реальность внутреннего устройства черной дыры. Решения Шварцшильда и Райснера - Нордстрема, описывающие сферически-симметричные нейтральные и электрически заряженные черные дыры, были получены в 1916-1917 годах, однако в непростой геометрии этих пространств физики полностью разобрались лишь на рубеже 1950- 1960-х годов. Кстати, именно тогда Джон Арчибальд Уилер, известный своими работами в ядерной физике и теории гравитации, предложил термины «черная дыра» и «кротовая нора».
Как оказалось, в пространствах Шварцшильда и Райснера - Нордстрема кротовые норы действительно есть. С точки зрения удаленного наблюдателя, они не видны полностью, как и сами черные дыры, и - так же вечны. А вот для путешественника, отважившегося проникнуть за горизонт, нора настолько быстро схлопывается, что сквозь нее не пролетит ни корабль, ни массивная частица, ни даже луч света.
Чтобы, минуя сингулярность, прорваться «на свет Божий» - к другому устью норы, необходимо двигаться быстрее света. А физики сегодня полагают, что сверхсветовые скорости перемещения материи и энергии невозможны в принципе.
Кротовые норы и временные петли
Итак, черную дыру Шварцшильда можно рассматривать как непроходимую кротовую нору. Черная дыра Райснера - Нордстрема устроена сложнее, но тоже непроходима.
Однако не так уж сложно придумать и описать проходимые четырехмерные кротовые норы, подбирая нужный вид метрики (метрика, или метрический тензор, - это набор величин, с помощью которых вычисляются четырехмерные расстояния-интервалы между точками-событиями, полностью характеризующий и геометрию пространства-времени, и поле тяготения). Проходимые кротовые норы, в общем, геометрически даже проще, чем черные дыры: там не должно быть никаких горизонтов, приводящих к катаклизмам с ходом времени.
Время в разных точках может, конечно, идти в разном темпе - но не должно бесконечно ускоряться или останавливаться.
Надо сказать, различные черные дыры и кротовые норы весьма интересные микрообъекты, возникающие сами собой, как квантовые флуктуации гравитационного поля (на длинах порядка 10-33 см), где, по существующим оценкам, понятие классического, гладкого пространства-времени уже неприменимо.
На таких масштабах должно существовать что-то похожее на водяную или мыльную пену в бурном потоке, постоянно «дышащую» за счет образования и схлопывания мелких пузырьков. Вместо спокойного пустого пространства мы имеем возникающие и исчезающие в бешеном темпе мини-черные дыры и кротовые норы самых причудливых и переплетающихся конфигураций. Их размеры невообразимо малы - они во столько же раз меньше атомного ядра, во сколько это ядро меньше планеты Земля. Строгого описания пространственно-временной пены пока нет, так как еще не создана последовательная квантовая теория гравитации, но в общих чертах описанная картина следует из основных принципов физической теории и вряд ли изменится.
Однако с точки зрения межзвездных и межвременных путешествий нужны кротовые норы совсем иных размеров: «хотелось» бы, чтобы через горловину без повреждений проходил разумных размеров космический корабль или хотя бы танк (без него среди тиранозавров будет неуютно, не правда ли?).
Поэтому для начала нужно получить решения уравнений гравитации в виде проходимых кротовых нор макроскопических размеров. И если предположить, что такая нора уже появилась, а остальное пространство-время осталось почти плоским, то, считайте, есть все - нора может быть и машиной времени, и межгалактическим тоннелем, и даже ускорителем.
Независимо от того, где и когда находится одно из устьев кротовой норы, второе может оказаться в любом месте в пространстве и когда угодно - в прошлом или в будущем.
К тому же устье может двигаться с любой скоростью (в пределах световой) по отношению к окружающим телам - это не помешает выходу из норы в (практически) плоское пространство Минковского.
Оно, как известно, необычайно симметрично и выглядит одинаково во всех своих точках, во всех направлениях и в любых инерциальных системах, с какими бы скоростями они ни двигались.
Но, с другой стороны, допустив существование машины времени, мы немедленно сталкиваемся со всем «букетом» парадоксов типа - полетел в прошлое и «убил дедушку лопатой» раньше, чем дедушка мог бы стать отцом. Нормальный здравый смысл подсказывает, что такого, скорее всего, быть просто не может. И если физическая теория претендует на описание реальности, она должна содержать механизм, запрещающий образование подобных «временных петель», или, по меньшей мере, до крайности затруднять их образование.
ОТО, вне всякого сомнения, претендует на описание реальности. В ней найдено немало решений, описывающих пространства с замкнутыми временными петлями, но они, как правило, по тем или иным причинам признаются либо нереалистическими, либо, скажем так, «неопасными».
Так, весьма интересное решение уравнений Эйнштейна указал австрийский математик К. Гедель: это однородная стационарная вселенная, вращающаяся как целое. Она содержит замкнутые траектории, путешествуя по которым можно вернуться не только в исходную точку пространства, но и в исходный момент времени. Однако расчет показывает, что минимальная временная протяженность такой петли много больше времени существования Вселенной.
Проходимые кротовые норы, рассматриваемые как «мосты» между разными вселенными, временных (как мы уже говорили) предположить, что оба устья выходят в одну и ту же вселенную, как петли возникают немедленно. Что же тогда с точки зрения ОТО мешает их образованию - по крайней мере, в макроскопических и космических масштабах?
Ответ простой: структура уравнений Эйнштейна. В их левой части стоят величины, характеризующие пространственно-временную геометрию, а в правой - так называемый тензор энергии-импульса, в котором сосредоточены сведения о плотности энергии вещества и различных полей, об их давлении в разных направлениях, об их распределении в пространстве и о состоянии движения.
Можно «читать» уравнения Эйнштейна справа налево, заявляя, что с их помощью материя «говорит» пространству, как ему искривляться. Но можно и - слева направо, тогда интерпретация будет иной: геометрия диктует свойства материи, которая могла бы обеспечить ее, геометрии, существование.
Так вот, если нам нужна геометрия кротовой норы - подставим ее в уравнения Эйнштейна, проанализируем и выясним, какая же требуется материя. Оказывается, весьма странная и невиданная, ее так и называют - «экзотическая материя». Так, для создания самой простой кротовой норы (сферически-симметричной) необходимо, чтобы плотность энергии и давление в радиальном направлении в сумме давали отрица-тельную величину. Надо ли говорить, что для обычных видов вещества (как и многих известных физических полей) обе эти величины положительны?..
Природа, как мы видим, в самом деле поставила серьезный барьер на пути возникновения кротовых нор. Но так уж устроен человек, и ученые здесь не исключение: если барьер существует, всегда найдутся желающие его преодолеть…
Работы теоретиков, интересующихся кротовыми норами, можно условно разделить на два дополняющих друг друга направления. Первое, заранее предполагая существование кротовых нор, рассматривает возникающие следствия, второе - пытается определить, как и из чего могут быть построены кротовые норы, при каких условиях они появляются или могут появляться.
В работах первого направления обсуждается, например, такой вопрос.
Предположим, в нашем распоряжении кротовая нора, сквозь которую можно пройти за считанные секунды, и пусть два ее воронкообразных устья «А» и «Б» расположены близко друг от друга в пространстве. Можно ли превратить такую нору в машину времени?
Американский физик Кип Торн с сотрудниками показал, как это сделать: идея заключается в том, чтобы одно из устьев, «А», оставить на месте, а другое, «Б» (которое должно вести себя как обычное массивное тело), - разогнать до скорости, сравнимой со скоростью света, а затем вернуть обратно и затормозить рядом с «А». Тогда за счет эффекта СТО (замедления времени на движущемся теле по сравнению с неподвижным) для устья «Б» пройдет меньше времени, чем для устья «А». Причем чем больше была скорость и продолжительность путешествия устья «Б», тем больше будет разница времен между ними.
Это, по сути дела, тот же хорошо известный ученым «парадокс близнецов»: близнец, вернувшийся из полета к звездам, оказывается младше своего брата-домоседа… Пусть разница во времени между устьями составляет, к примеру, полгода.
Тогда, сидя возле устья «А» посреди зимы, мы увидим сквозь кротовую нору яркую картину прошедшего лета и - реально в это лето и вернемся, пройдя нору насквозь. Затем снова приблизимся к воронке «А» (она, как мы договорились, где-то рядом), еще раз нырнем в нору и - перепрыгнем прямиком в прошлогодний снег. И так сколько угодно раз. Двигаясь же в обратном направлении - ныряя в воронку «Б», - скакнем на полгода в будущее…
Таким образом, совершив единственную манипуляцию с одним из устьев, мы получаем машину времени, которой можно «пользоваться» постоянно (если, конечно, предположить, что нора устойчива или что мы в состоянии поддерживать ее «работоспособность»).
Работы второго направления более многочисленны и, пожалуй, даже более интересны. К этому направлению относится поиск конкретных моделей кротовых нор и исследование их специфических свойств, которые, в общем-то, и определяют, что с этими норами можно делать и как их использовать.
Экзоматерия и темная энергия
Экзотические свойства материи, которыми должен обладать строительный материал для кротовых нор, как выясняется, могут быть реализованы за счет так называемой поляризации вакуума квантовых полей.
К такому выводу недавно пришли российские физики Аркадий Попов и Сергей Сушков из Казани (совместно с Давидом Хохбергом из Испании) и Сергей Красников из Пулковской обсерватории. И в данном случае вакуум - вовсе не пустота, а квантовое состояние с наименьшей энергией - поле без реальных частиц. В нем постоянно появляются пары «виртуальных» частиц, которые снова исчезают раньше, чем их можно было бы обнаружить приборами, но оставляют свой вполне реальный след в виде некоторого тензора энергии-импульса с необычными свойствами.
И хотя квантовые свойства материи проявляются главным образом в микромире, порождаемые ими кротовые норы (при некоторых условиях) могут достигать весьма приличных размеров. Кстати, одна из статей С. Красникова носит «пугающее» название - «Угроза кротовых нор». Самым интересным в этой чисто теоретической дискуссии является то, что реальные астрономические наблюдения последних лет, похоже, сильно подрывают позиции противников возможности самого существования кротовых нор.
Астрофизики, изучая статистику взрывов сверхновых в галактиках, удаленных от нас на миллиарды световых лет, сделали вывод, что наша Вселенная не просто расширяется, а разлетается со все большей скоростью, то есть с ускорением. Более того, со временем это ускорение даже нарастает. Об этом достаточно уверенно говорят самые последние наблюдения, проведенные на новейших космических телескопах. Ну а теперь - самое время вспомнить о связи между материей и геометрией в ОТО: характер расширения Вселенной накрепко связан с уравнением состояния материи, иными словами, с соотношением между ее плотностью и давлением. Если материя - обычная (с положительными плотностью и давлением), то сама плотность со временем падает, а расширение замедляется.
Если же давление отрицательно и равно по величине, но противоположно по знаку плотности энергии (тогда их сумма = 0), то такая плотность постоянна во времени и пространстве - это так называемая космологическая постоянная, которая приводит к расширению с постоянным ускорением.
Но чтобы ускорение росло со временем, и этого недостаточно - сумма давления и плотности энергии должна быть отрицательной. Такую материю никто и никогда не наблюдал, однако поведение видимой части Вселенной, похоже, сигнализирует о ее присутствии. Расчеты показывают, что такой вот странной, невидимой, материи (названной «темной энергией») в настоящую эпоху должно быть около 70%, и эта доля постоянно увеличивается (в отличие от обычного вещества, которое с увеличением объема теряет плотность, темная энергия ведет себя парадоксально - Вселенная расширяется, а ее плотность растет). Но ведь (и мы об этом уже говорили) именно такая экзотическая материя - самый подходящий «стройматериал» для образования кротовых нор.
Так и тянет пофантазировать: рано или поздно темная энергия будет обнаружена, ученые и технологи научатся ее сгущать и строить кротовые норы, а там - недалеко и до «сбычи мечт» - о машинах времени и о тоннелях, ведущих к звездам…
Правда, несколько расхолаживает оценка плотности темной энергии во Вселенной, обеспечивающей ее ускоренное расширение: если темная энергия распределена равномерно, получается совершенно ничтожная величина - около 10-29 г/см3. Для обычного вещества такая плотность соответствует 10 атомам водорода на 1 м3. Даже межзвездный газ в несколько раз плотнее. Так что если этот путь к созданию машины времени и может стать реальным, то очень и очень не скоро.
Требуется дырка от бублика
До сих пор речь шла о тоннелеобразных кротовых норах с гладкими горловинами. Но ведь ОТО предсказывает и другой вид кротовых нор - и они принципе вообще не требуют никакой распределенной материи. Существует целый класс решений уравнений Эйнштейна, в которых четырехмерное пространство-время, плоское вдали от источника поля, существует как бы в двух экземплярах (или листах), а общими для них обоих являются лишь некое тонкое кольцо (источник поля) и диск, этим кольцом ограниченный.
Кольцо это обладает поистине волшебным свойством: можно сколь угодно долго «бродить» вокруг него, оставаясь в «своем» мире, но стоит пройти его насквозь - и попадешь совсем в другой мир, хотя и похожий на «свой». А чтобы вернуться назад, надо еще раз пройти сквозь кольцо (причем с любой стороны, не обязательно с той, с которой только что вышел).
Само кольцо сингулярно - кривизна пространства-времени на нем обращается в бесконечность, но все точки внутри него вполне нормальны, и движущееся там тело не испытывает никаких катастрофических воздействий.
Интересно, что таких решений великое множество - и нейтральных, и с электрическим зарядом, и с вращением, и без него. Таково, в частности, знаменитое решение новозеландца Р. Керра для вращающейся черной дыры. Оно наиболее реалистично описывает черные дыры звездных и галактических масштабов (в существовании которых большинство астрофизиков уже не сомневается), так как едва ли не все небесные тела испытывают вращение, а при сжатии вращение только ускоряется, тем более - при коллапсе в черную дыру.
Итак, получается, что именно вращающиеся черные дыры - «прямые» кандидаты в «машины времени»? Однако черные дыры, образующиеся в звездных системах, окружены и заполнены горячим газом и жесткими смертоносными излучениями. Помимо этого чисто практического возражения есть и принципиальное, связанное со сложностями выхода из-под горизонта событий на новый пространственно-временной «лист». Но на этом не стоит останавливаться подробнее, так как согласно ОТО и многим ее обобщениям кротовые норы с сингулярными кольцами могут существовать и без всяких горизонтов.
Так что есть по крайней мере две теоретические возможности для существования кротовых нор, соединяющих разные миры: норы могут быть гладкими и состоять из экзотической материи, а могут возникать за счет сингулярности, оставаясь при этом проходимыми.
Космос и струны
Тонкие сингулярные кольца напоминают другие необычные объекты, предсказываемые современной физикой, - космические струны, образовывавшиеся (согласно некоторым теориям) в ранней Вселенной при остывании сверхплотного вещества и смене его состояний.
Они действительно напоминают струны, только необычайно тяжелые - многие миллиарды тонн на сантиметр длины при толщине в доли микрона. И, как было показано американцем Ричардом Готтом и французом Жераром Клеманом, из нескольких струн, движущихся друг относительно друга с большими скоростями, можно составить конструкции, содержащие временные петли. То есть, двигаясь определенным образом в гравитационном поле этих струн, можно вернуться в исходную точку раньше, чем из нее вылетел.
Астрономы давно ищут такого рода космические объекты, и на сегодня один «хороший» кандидат уже имеется - объект CSL-1. Это две удивительно похожие галактики, которые в реальности наверняка являются одной, только раздвоившейся из-за эффекта гравитационного линзирования. Причем в данном случае гравитационная линза - не сферическая, а цилиндрическая, напоминающая длинную тонкую тяжелую нить.
Поможет ли пятое измерение?
В том случае, если пространство-время содержит больше четырех измерений, архитектура кротовых нор обретает новые, неведомые ранее возможности.
Так, в последние годы приобрела популярность концепция «мира на бране». Она предполагает, что вся наблюдаемая материя располагается на некоторой четырехмерной поверхности (обозначаемой термином «брана» - урезанным словом «мембрана»), а в окружающем пяти или шестимерном объеме нет ничего, кроме гравитационного поля. Поле тяготения на самой бране (а только его мы и наблюдаем) подчиняется модифицированным уравнениям Эйнштейна, а в них есть вклад от геометрии окружающего объема.
Так вот, этот вклад и способен играть роль экзотической материи, порождающей кротовые норы. Норы могут быть любого размера и при этом не обладать собственным тяготением.
Этим, конечно, не исчерпывается все разнообразие «конструкций» кротовых нор, и общий вывод таков, что при всей необычности их свойств и при всех трудностях принципиального, в том числе и философского, характера, к которым они могут привести, к их возможному существованию стоит отнестись с полной серьезностью и должным вниманием.
Нельзя, например, исключить, что норы больших размеров существуют в межзвездном или межгалактическом пространстве - хотя бы по причине концентрации той самой темной энергии, что ускоряет расширение Вселенной.
Однозначного ответа на вопросы - как они могут выглядеть для земного наблюдателя и существует ли способ их обнаружения - пока нет. В отличие от черных дыр у кротовых нор может даже не быть сколько-нибудь заметного поля притяжения (не исключено и отталкивание), а следовательно, в их окрестности не стоит ожидать заметных концентраций звезд или межзвездного газа и пыли.
Но полагая, что они могут «закорачивать» далекие друг от друга области или эпохи, пропуская через себя излучение светил, вполне можно ожидать, что какая-то далекая галактика покажется необычайно близкой.
За счет расширения Вселенной чем дальше галактика, тем с большим смещением спектра (в красную сторону) приходит к нам ее излучение. Но при взгляде сквозь кротовую нору красного смещения, возможно, и не будет. Или будет, но - другое. Некоторые такие объекты можно будет наблюдать одновременно двумя способами - сквозь нору или «обычным» образом, «мимо норы».
Таким образом, признак космической кротовой норы может быть следующим: наблюдение двух объектов с очень похожими свойствами, но на разных видимых расстояниях и с разными красными смещениями.
Если кротовые норы все-таки обнаружат (или построят), перед той областью философии, что занимается интерпретацией науки, встанут новые и, надо сказать, очень непростые задачи. И при всей кажущейся абсурдности временных петель и сложности проблем, связанных с причинностью, эта область науки, по всей вероятности, рано или поздно со всем этим как-нибудь разберется. Так же, как в свое время «справилась» с концептуальными проблемами квантовой механики и теории относительности Эйнштейна…
Кирилл Бронников, доктор физико-математических наук
