Удивительные червоточины: сквозь время и пространство.  Кротовая нора

Наука

Недавно вышедший на экраны визуально-захватывающий фильм "Интрестеллар" основывается на реальных научных понятиях , таких как вращающиеся черные дыры, кротовые норы и расширение времени .

Но если вы не знакомы с этими понятиями, то возможно, слегка запутаетесь во время просмотра.

В фильме команда космических исследователей отправляется во внегалактическое путешествие сквозь кротовую нору . На другой стороне они попадают в иную Солнечную систему с вращающейся черной дырой вместо звезды.

Они находятся в гонке с пространством и временем, чтобы выполнить свою миссию. Такое космическое путешествие может показаться слегка запутанным, но оно основывается на основных принципах физики.

Вот основные 5 понятий физики , которые нужно знать, чтобы понять "Интерстеллар":

Искусственная гравитация

Самой большой проблемой, с которой сталкиваемся мы, люди, при длительных космических путешествиях, является невесомость . Мы родились на Земле, и наше тело приспособилось к определенным гравитационным условиям, но когда мы находимся в космосе длительное время, наши мышцы начинают ослабевать.

С этой проблемой сталкиваются и герои в фильме "Интерстеллар".

Чтобы справиться с этим, ученые создают искусственную гравитацию в космических кораблях . Одним из способов сделать это - раскрутить космический корабль, как в фильме. Вращение создает центробежную силу, которая отталкивает объекты к внешним стенкам корабля. Это отталкивание похоже на гравитацию, только в обратном направлении.

Такую форму искусственной гравитации вы испытываете, когда едете вокруг кривой малого радиуса и вам кажется, что вас отталкивает наружу, от центральной точки кривой. Во вращающемся космическом корабле стены для вас становятся полом.

Вращающаяся черная дыра в космосе

Астрономы, хотя и косвенно, наблюдали в нашей Вселенной вращающиеся черные дыры . Никто не знает, что находится в центре черной дыры, но у ученых есть для этого название – сингулярность .

Вращающиеся черные дыры искажают пространство вокруг себя по-иному в отличие от неподвижных черных дыр.

Этот процесс искажения называется "увлечение инерциальных систем отсчёта" или эффект Лензе-Тирринга, и оно влияет на то, как будет выглядеть черная дыра, искажая пространство, и что более важно пространство-время вокруг нее. Черная дыра, которую вы видите в фильме, достаточно сильно приближена к научному понятию .

• Космический корабль "Эндюранс" направляется к Гаргантюа - вымышленной сверхмассивной черной дыре массой в 100 миллион раз больше Солнца.
• Она находится на расстоянии 10 миллиардов световых лет от Земли, и вокруг нее вращается несколько планет. Гаргантюа вращается с поразительной скоростью 99,8 процентов от скорости света.
• Аккреционный диск Гарагантюа содержит газ и пыль с температурой поверхности Солнца. Диск снабжает планеты Гаргантюа светом и теплом.

Сложный вид черной дыры в фильме связан с тем, что изображение аккреционного диска искривлено гравитационным линзированием. На изображении появляется две дуги: одна образуется над черной дырой, а другая под ней.

Кротовая нора

Кротовая нора или червоточина, которую использует экипаж в "Интерстеллар" – это одно из явлений в фильме, существование которого не доказано . Она гипотетическая, но очень удобная в сюжетах научно-фантастических историй, где нужно преодолеть большое космическое расстояние.

Просто кротовые норы – это своего рода кратчайший путь сквозь пространство . Любой объект с массой создает норку в пространстве, что означает, что пространство можно растягивать, деформировать и даже складывать.

Червоточина - это как складка на ткани пространства (и времени), которая соединяет две очень далекие области, что помогает космическим путешественникам преодолеть большое расстояние за короткий период времени .

Официальное название кротовой норы – "мост Эйнштейна-Розена", так как впервые она была предложена Альбертом Эйнштейном и его коллегой Натаном Розеном в 1935 году.

• В двухмерных диаграммах устье кротовой норы показано в виде круга. Однако, если бы мы могли увидеть кротовую нору, она бы выглядела, как сфера.
• На поверхности сферы был бы виден гравитационно искаженный вид пространства с другой стороны "норы".
• Размеры кротовой норы в фильме: 2 км в диаметре и расстояние переноса - 10 миллиардов световых лет.

Гравитационное замедление времени

Гравитационное замедление времени – это реальное явление, наблюдаемое на Земле. Оно возникает потому, что время относительно . Это означает, что оно течет по-разному для различных систем координат.

Когда вы находитесь в сильной гравитационной среде, время течет медленнее для вас по сравнению с людьми, находящимися в слабой гравитационной среде.

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?" .

Кротовая нора или червоточина в теории представляет собой пересечение времени и пространства, которое существенно сокращает время дальних путешествий по всей вселенной. Понятие «Кротовая нора» появилась на свет благодаря общей теории относительности. Червоточины пока не изучены и несут в себе колоссальную опасность в виде внезапных контактов с неизученными материями, высокой радиации и другими неизвестными коллапсами.

Теория кротовых нор

В недалеком 1935 году физики и Натан Розен открыли теорию общей относительности, в которой предположили существование «мостов» через пространство и время. Эти пути получили называние «мосты Эйнштейна-Розена» или кротовые норы. Эти мосты соединяют две разные точки во времени и пространстве, теоретически создавая путь, сокращающий время в пути и расстояние путешествия.

В теории содержит два отверстия, которые потом соединяются. Начала этих отверстий, скорее всего, являются шаровидным. Затем, они переходят в прямой участок, хотя, возможно, он может образовать круг, обеспечивая путешественнику более длинный путь, чем традиционный способ.

Теория общей относительности Эйнштейна математически предполагает существование кротовых нор, но на сегодняшний день ни одна из них не была обнаружена астрофизиками. Единственное, что дает предположение о наличии КН — отрицательная масса, которая может быть обнаружена благодаря тому, как ее гравитация влияет на свет, проходящий мимо.

Некоторые из утверждений общей теории относительности допускают существование кротовых нор, часть которых состоит из черных дыр. Правда, по своей природе черная дыра, которая возникает при взрыве умирающей звезды, сама по себе не может создать червоточину.

Научная фантастика изобилует рассказами о путешествиях через червоточины. Но фактическая реальность такого путешествия пока не представляется реальной.

Первая проблема заключается в размерах кротовых нор. Обычные червоточины, по прогнозам ученых, имеют размер 10-33 сантиметра. Однако, по мере расширения Вселенной, вполне возможно, что некоторые из них могли бы растянуться до больших размеров.

Другая проблема для путешественников происходит из неизученной стабильности кротовой норы. Исследования Эйнштейна-Розена были просто бесполезны для практических путешествий. Но более поздние исследования показали, что червоточина, содержащая «экзотическую материю» может оставаться открытой для исследований и неизменной в течение длительных периодов времени.

Экзотическая материя, которая отличается от темной материей или антивещества, содержит отрицательную плотность энергии, а так же отрицательное давление.

Если КН (кротовая нора) содержит достаточное количество экзотической материи, будь она природного происхождения или искусственно разработанным материалом – она теоретически может быть использована в качестве способа пересылки информации или путешественников через пространство.

Кротовые норы могут не только соединять два отдельных района вселенной, но так же они могут соединить две разные галактики. Интересно, что некоторые ученые предполагают, что, если один вход в КН будет перемещаться в определенном изученном порядке, то это впоследствии может позволить осуществить путешествия. Несмотря на это, британский астрофизик и космолог Стивен Хокинг утверждает, что использование КН для путешествий пока не представляется возможным.

«Кротовая нора на самом деле не даст Вам возможность, чтобы путешествовать назад во времени» написал сотрудник НАСА Эрик Кристиан.

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

Путешествие сквозь пространство и время возможно не только в фантастических фильмах и научно-фантастических книгах, еще немного и это может стать реальностью. Множество известных и уважаемых специалистов работают над исследованием такого феномена как червоточина и пространственно-временной туннель.

Червоточина, в определении физика Эрика Дэвиса, некий космический туннель, называемый еще горловиной, соединяющий между собой две отдаленные области во Вселенной или две различные Вселенные,- если другие Вселенные существуют – или два различных периода времени, или различные пространственные измерения. Несмотря на то, что существование не доказано, ученые всерьез рассматривают всевозможные способы использования проходимых червоточин, при условии их существования, для преодоления расстояния со скоростью света, и даже перемещений во времени.

Прежде чем использовать червоточины, ученым необходимо их найти. Сегодня, к сожалению, не обнаружено доказательств существования червоточин. Но если, они все же существуют, их расположение может быть не таким трудным, как кажется на первый взгляд.

Что же такое червоточины?

На сегодняшний день существует несколько теорий возникновения червоточин. Математик Людвиг Фламм применявший уравнения относительности Альберта Эйнштейна, первый предложил термин «червоточина», описывая процесс, когда сила тяжести может изогнуть временное пространство, относящееся к ткани физической действительности, вследствие чего и образуется пространственно-временной тоннель.

Али Эвгюн, из Восточного Средиземноморского университета на Кипре, предполагает, что червоточины возникают в местах плотного скопления темной материи. Согласно этой теории, червоточины могли существовать во внешних областях Млечного пути, где есть темная материя, и в пределах других галактик. Математически ему удалось доказать, что есть все необходимые условия для подтверждения данной теории.

"В будущем будет возможность косвенно наблюдать за подобными экспериментами, как показано в фильме "Интерстеллар”, - сказал Али Эвгюн.

Торн и еще ряд ученых пришли к выводу, что даже если бы вследствие необходимых факторов образовалась некоторая червоточина, она вероятнее всего разрушилась бы прежде, чем какой-то объект или человек прошли сквозь нее. Для того чтобы сохранить червоточину открытой достаточно долго потребовалось бы большое количество так званой «экзотической материи». Одна из форм естественной «экзотической материи» является темная энергия, Дэвис так поясняет ее действие: «давление, значение которого ниже атмосферного, создает гравитационно-отталкивающую силу, в свою очередь, толкающую внутреннее пространство нашей Вселенной наружу, что производит инфляционное расширение Вселенной».

Такой экзотический материал, как темная материя, распространен во Вселенной в пять раз больше, чем обычные вещества. До сих пор ученым не удавалось обнаружить скопления темной материи или темной энергии, поэтому неизвестны многие их свойства. Изучение их свойств, происходит посредством изучения пространства вокруг них.

Через червоточину сквозь время – реальность?

Идея путешествия во времени довольно популярна не только в среде исследователей. На теории червоточин основано путешествие Алисы в Зазеркалье в одноименном романе Льюиса Керролла. Что представляет собой пространственно-временной тоннель? Регион пространства в дальнем конце туннеля должен выделяться из области, находящейся вокруг входа, благодаря искажениям, подобными отражению в искривленных зеркалах. Еще одним признаком может быть сосредоточенное движение света направленное через туннель червоточины воздушными течениями. Дэвис называет явление на переднем конце червоточины "каустическим эффектом радуги". Такие эффекты могут быть видимы с расстояния. "Астрономы планируют использовать телескопы для охоты на эти радужные явления, в поисках естественной или даже неестественно созданной, проходимой кротовой норы ", - сказал Дэвис. - «Я никогда не слышал о том, что проект всё-таки сдвинулся с мертвой точки ".

В рамках своего исследования кротовых нор, Торн предположил теорию, согласно которой, червоточину можно будет использовать в качестве машины времени. Мысленные эксперименты, связанные с путешествиями во времени достаточно часто сталкиваются с парадоксами. Пожалуй, самым известным из них является парадокс дедушки: Если исследователь отправится в прошлое и убьет своего деда, то этот человек не сможет родиться, и соответственно никогда бы не вернется во времени обратно. Можно предположить, что обратного пути в путешествии во времени нет, по словам Дэвиса, работа Торна открыла новые возможности для изучения учеными.

Призрачная Связь: Червоточины и Квантовый Мир

"Вся кустарная промышленность теоретической физики произрастала из теорий, которые привели к развитию других пространственно-временных методов, производящих описанные причины парадоксов, связанных с машиной времени", - сказал Дэвис. Несмотря ни на что возможность использование червоточины для путешествий во времени привлекает и поклонников фантастики, и желающих изменить свое прошлое. Дэвис считает, основываясь на современных теориях, что для того, чтобы сделать из червоточины машину времени, потоки в одном или обоих концах туннеля необходимо будет ускорить до скоростей, приближающихся к скорости света.

"Исходя из этого, было бы крайне трудно построить машину времени на основе червоточины”, - сказал Дэвис. - " Относительно этого гораздо проще будет использовать червоточины для межзвездных путешествий в космосе".

Другие физики предположили, что путешествия во времени с помощью червоточины могут вызвать массированное наращивание энергии, которая уничтожит тоннель, прежде чем он может быть использован в качестве машины времени - процесс, известный как обратная квантовая реакция. Тем не менее, мечтать о потенциале червоточин по-прежнему весело: "Подумайте о всех возможностях, которые получили бы люди, если бы они обнаружили способ, что они могли бы сделать, если бы могли путешествовать во времени?," - сказал Дэвис. - "Их приключения были бы очень интересными, если не сказать больше".

БОЛЬШЕ удивительных статей

На снимке от Международной космической станции заметны оранжевые полосы воздушного свечения в земной атмосфере. Новый эксперимент НАСА по исследованию атмосферных волн будет наблюдать за этим явлением с высоты орбитальной станции, чтобы ул...

Российское космическое агентство Роскосмос подписало соглашение с американской космической туристической компанией Space Adventures о полете двух пассажиров на МКС в 2021 году. В отличие от предыдущих запусков, эти два туриста отправятся...

Исследователи полагают, что крошечные сгустки земного воздуха уходят в дальний космос далеко за пределы орбиты Луны. Оказывается, геокорона Земли (небольшое облако атомов водорода) вытягивается на 630 000 км в космос. Чтобы вы понимали, Л...

Исследователи, изучающие влияние солнечного ветра на лунную поверхность, полагают, что этот контакт способен создать ключевой компонент воды Человечество не способно обходиться без воды, поэтому возникает серьезная проблема при долгосрочн...

После проведенного года в космосе иммунная система астронавта Скотта Келли забила тревогу. Также исследователи отмечают, что некоторые из его генов изменили активность. Исследования приводились при сравнении показателей с его братом-близн...