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?…
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.
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.
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.
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.
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.
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
Оно искривлено, а гравитация, знакомая всем нам, является проявлением этого свойства. Материя искривляет, "прогибает" пространство вокруг себя, и тем больше, чем она плотнее. Космос, пространство и время - все это очень интересные темы. Прочитав эту статью, вы наверняка узнаете что-то новое о них.
Множество других теорий тяготения, которых существует сегодня целые сотни, в деталях отличается от ОТО. Однако все эти астрономические гипотезы сохраняют основное - идею кривизны. Если пространство кривое, то можно предположить, что оно могло принять, например, форму трубы, соединяющей области, которые разделены множеством световых лет. А возможно, даже эпохи, далекие друг от друга. Ведь мы ведем речь не о пространстве, привычном нам, а о пространстве-времени, когда рассматриваем космос. Дыра в нем может появиться лишь при определенных условиях. Предлагаем вам поближе познакомиться с таким интересным явлением, как кротовые норы.
Далекий космос и его загадки манят к себе. Мысли об искривлении появились сразу же после того, как была опубликована ОТО. Л. Фламм, австрийский физик, уже в 1916 году говорил о том, что пространственная геометрия может существовать в виде некоей норы, которая соединяет два мира. Математик Н. Розен и А. Эйнштейн в 1935 году заметили, что простейшие решения уравнений в рамках ОТО, описывающие изолированные электрически заряженные или нейтральные источники, создающие обладают пространственной структурой "моста". То есть они соединяют две вселенные, два почти плоских и одинаковых пространства-времени.
Позднее эти пространственные структуры стали именоваться "кротовыми норами", что является довольно вольным переводом с английского языка слова wormhole. Более близкий его перевод - "червоточина" (в космосе). Розен и Эйнштейн даже не исключали возможности использования этих "мостов" для описания с их помощью элементарных частиц. Действительно, в этом случае частица является сугубо пространственным образованием. Следовательно, необходимости моделировать источник заряда или массы специально не появится. А удаленный внешний наблюдатель в случае, если кротовая нора имеет микроскопические размеры, видит лишь точечный источник с зарядом и массой при нахождении в одном из этих пространств.
С одной стороны в нору входят электрические силовые линии, а с другой они выходят, не заканчиваясь и не начинаясь нигде. Дж. Уилер, американский физик, по этому поводу сказал, что получается "заряд без заряда" и "масса без массы". Вовсе не обязательно в этом случае считать, что мост служит для соединения двух разных вселенных. Не менее уместным будет и предположение о том, что у кротовой норы оба "устья" выходят в одинаковую вселенную, однако в разные времена и в разных ее точках. Получается что-то, напоминающее пустотелую "ручку", если ее пришить к практически плоскому привычному миру. Силовые линии входят в устье, которое можно понимать как отрицательный заряд (допустим, электрон). Устье, из которого они выходят, имеет положительный заряд (позитрон). Что же касается масс, они с обеих сторон будут одинаковыми.
Эта картина, при всей своей привлекательности, не получила распространение в физике элементарных частиц, на что было множество причин. Нелегко приписать "мостам" Эйнштейна-Розена квантовые свойства, без которых в микромире не обойтись. Такой "мост" и вовсе не образуется при известных значениях зарядов и масс частиц (протонов или электронов). "Электрическое" решение вместо этого предсказывает "голую" сингулярность, то есть точку, где электрическое поле и кривизна пространства делаются бесконечными. В таких точках понятие пространства-времени даже в случае искривления теряет смысл, так как невозможно решать уравнения, имеющие бесконечное множество слагаемых.
Сама по себе ОТО определенно заявляет, когда именно она прекращает работать. На горловине, в наиболее узком месте "моста", наблюдается нарушение гладкости соединения. И оно, следует сказать, достаточно нетривиально. С позиции удаленного наблюдателя на этой горловине останавливается время. То, что Розен и Эйнштейн считали горловиной, в настоящее время определяется как горизонт событий черной дыры (заряженной или нейтральной). Лучи или частицы с разных сторон "моста" попадают на различные "участки" горизонта. А между левой и правой его частями, условно говоря, находится нестатическая область. Для того чтобы пройти область, нельзя не преодолеть ее.
Космический корабль, который приближается к горизонту довольно крупной относительно него черной дыры, как будто застывает навеки. Все реже и реже доходят сигналы от него… Напротив, горизонт по корабельным часам достигается за конечное время. Когда корабль (луч света или частица) минует его, он вскоре упрется в сингулярность. Это место, где кривизна делается бесконечной. В сингулярности (еще на подходе к ней) протяженное тело неизбежно будет разорвано и раздавлено. Такова реальность устройства черной дыры.
В 1916-17 гг. были получены решения Райснера-Нордстрема и Шварцшильда. В них сферически описываются симметричные электрически заряженные и нейтральные черные дыры. Однако физики смогли до конца разобраться в непростой геометрии данных пространств только на рубеже 1950-60-х годов. Именно тогда Д. А. Уилер, известный благодаря своим работам в теории гравитации и ядерной физике, предложил термины "кротовая нора" и "черная дыра". Выяснилось, что в пространствах Райснера-Нордстрема и Шварцшильда действительно существуют кротовые норы в космосе. Они полностью не видны удаленному наблюдателю, как и черные дыры. И, подобно им, кротовые норы в космосе вечны. А вот если путешественник проникнет за горизонт, они схлопываются настолько быстро, что через них не сможет пролететь ни луч света, ни массивная частица, а не то что корабль. Чтобы пролететь к другому устью, минуя сингулярность, нужно двигаться быстрее света. В настоящее время физики считают, что сверхновые скорости перемещения энергии и материи принципиально невозможны.
Черная дыра Шварцшильда может считаться непроходимой кротовой норой. Что касается черной дыры Райснера-Нордстрема, она устроена несколько сложнее, однако также непроходима. Тем не менее придумать и описать четырехмерные кротовые норы в космосе, которые можно было бы пройти, не так уж сложно. Стоит лишь подобрать необходимый вид метрики. Метрический тензор, или метрика, - набор величин, используя который, можно вычислить четырехмерные интервалы, существующие между точками-событиями. Этот набор величин полностью характеризует также и поле тяготения, и геометрию пространства-времени. Геометрически проходимые кротовые норы в космосе даже проще, нежели черные дыры. В них нет горизонтов, которые ведут к катаклизмам с ходом времени. В различных точках время может идти а разном темпе, однако оно не должно при этом бесконечно останавливаться или ускоряться.
Природа поставила барьер на пути появления кротовых нор. Однако человек устроен так, что если находится препятствие, всегда будут желающие его преодолеть. И ученые не исключение. Труды теоретиков, которые занимаются исследованием кротовых нор, условно можно разделить на два направления, дополняющих друг друга. Первое занимается рассмотрением их следствий, заранее предполагая то, что кротовые норы действительно существуют. Представители второго направления пытаются понять, из чего и как они могут появиться, какие условия необходимы для их возникновения. Работ этого направления больше, чем первого и, пожалуй, они более интересны. К данному направлению можно отнести поиск моделей кротовых нор, а также исследование их свойств.
Как выяснилось, свойства материи, являющейся материалом для строительства кротовых нор, могут реализоваться за счет поляризации вакуума квантовых полей. Российские физики Сергей Сушков и Аркадий Попов совместно с испанским исследователем Давидом Хохбергом, а также Сергей Красников недавно пришли к этому выводу. Вакуум в этом случае не является пустотой. Это квантовое состояние, характеризующееся наименьшей энергией, то есть поле, в котором отсутствуют реальные частицы. В этом поле постоянно возникают пары частиц "виртуальных", исчезающие до того, как их обнаруживают приборы, однако оставляющие свой след в виде тензора энергии, то есть импульса, характеризующегося необычными свойствами. Несмотря на то что квантовые свойства материи в основном проявляются в микромире, кротовые норы, рождаемые ими, при некоторых условиях способны достигать значительных размеров. Одна из статей Красникова, кстати, называется "Угроза кротовых нор".
Если кротовые норы когда-нибудь все-таки удастся построить или обнаружить, область философии, связанная с интерпретацией науки, столкнется с новыми задачами и, нужно сказать, весьма непростыми. При всей, казалось бы, абсурдности временных петель и нелегких проблемах, касающихся причинности, данная область науки, вероятно, когда-нибудь с этим разберется. Так же, как разобрались в свое время с проблемами квантовой механики и созданной Космос, пространство и время - все эти вопросы во все века интересовали людей и, видимо, будут интересовать нас всегда. Познать их полностью едва ли удастся. Изучение космоса вряд ли когда-либо будет завершено.
Группа физиков из Германии и Греции под общим руководством Буркхарда Клайхауса представила принципиально новый взгляд на проблему кротовых нор . Так называются гипотетические объекты, где происходит искривление пространства и времени .
Считается, они представляют собой туннели, через которые можно в один момент совершить путешествие в другие миры.
Кротовые норы, или, как их еще называют, червоточинки, известны каждому любителю научной фантастики, где эти объекты описаны весьма ярко и впечатляюще (хотя в книгах их чаще называют ноль-пространство). Именно благодаря им герои могут переходить из одной галактики в другую за весьма короткое время. Что касается же реальных кротовых нор, то с ними дело обстоит куда сложнее. До сих пор непонятно, существуют ли они на самом деле, или же это все результат буйства фантазии физиков-теоретиков.
Согласно традиционным представлениям, кротовые норы — это некоторое гипотетическое свойство нашей Вселенной, а точнее, пространства и времени . Согласно концепции моста Эйнштейна — Розена, каждый момент времени в нашей Вселенной могут возникать некие туннели, через которые можно попасть из одной точки пространства в другую практически одномоментное (тот есть без потери времени).
Казалось бы, телепортируйся с их помощью в свое удовольствие! Но вот ведь беда: во-первых, эти кротовые норы чрезвычайно малы (по ним лишь элементарные частицы без труда шастать могут), а во-вторых, существуют они крайне недолго, миллионные доли секунды. Именно поэтому изучать их крайне сложно — до сих пор все модели кротовых нор не были экспериментально подтверждены.
Тем не менее, некоторое представление о том, что может быть внутри такого туннеля, у ученых все-таки имеется (хотя, увы, также лишь теоретическое). Считается, что там все забито так называемой экзотической материей (не путать с темной, это разные материи). А свое прозвище эта материя получила от того, что она состоит из принципиально других элементарных частиц. И из-за этого в ней не соблюдаются большинство физических законов — в частности, энергия может иметь отрицательную плотность, сила гравитации не притягивает, а отталкивает предметы и т.п. В общем, внутри туннеля все совсем не так, как у нормальных людей. Но именно эта неправильная материя и обеспечивает тот самый чудесный переход сквозь кротовую нору.
Собственно говоря, знаменитая общая теория относительности Эйнштейна к возможности существования кротовых нор весьма лояльна — она не опровергает существование таких туннелей (хотя и не подтверждает). Ну, а то, что не запрещено, как известно, разрешено. Поэтому многие астрофизики еще с середины прошлого века активно пытаются найти следы хоть какой-нибудь более-менее устойчивой кротовой норы.
Собственно говоря, их интерес можно понять — если окажется, что подобный туннель возможен в принципе, то тогда путешествия сквозь него к далеким мирам станут весьма простым делом (конечно, при условии, что кротовая нора будет находиться недалеко от Солнечной системы). Однако поиски данного объекта затрудняет то обстоятельство, что ученые до сих пор, собственно говоря, не совсем представляют себе, а что именно искать. В самом деле, напрямую увидеть эту нору невозможно, раз она, подобно черным дырам, все в себя всасывает (в том числе и излучение), но ничего не выпускает. Нужны какие-то косвенные признаки ее существования, но вот ведь вопрос — какие именно?
И вот недавно группа физиков из Германии и Греции под общим руководством Буркхарда Клайхауса из Ольденбургского университета (Германия) для того, чтобы облегчить страдания астрофизиков, представила принципиально новый взгляд на проблему кротовых нор. С их точки зрения, эти туннели действительно могут существовать во Вселенной и быть при этом достаточно устойчивыми . И никакой экзотической материи, по мнению группы Клайхауса, внутри них нет.
Ученые считают, что возникновение кротовых нор было вызвано квантовыми флуктуациями, свойственными ранней Вселенной почти сразу после Большого взрыва и породившими так называемую квантовую пену . Напомню, что квантовая пена — это некое условное понятие, которое может быть использовано как качественное описание субатомной пространственно-временной турбулентности на очень малых расстояниях (порядка планковской длины, то есть расстояния в 10 -33 см).
Образно говоря, квантовую пену можно представить так: вообразим, что где-то в весьма короткие промежутки времени в очень небольших областях пространства может самопроизвольно появляться энергия, достаточная для превращения этого кусочка пространства в черную дыру. А появляется эта энергия не просто из ниоткуда, а в результате столкновения частиц с античастицами и их взаимной аннигиляции. И тогда перед нашими глазами возникнет некий бурлящий котел, в котором непрерывно возникают и тут же исчезают черные дыры.
Так вот, по мнению авторов исследования, сразу после Большого взрыва наша Вселенная вся состояла из квантовой пены . И возникали в ней в каждый момент времени не только черные дыры, но и кротовые норы . А далее инфляция (то есть расширение) Вселенной должна была не только раздуть ее до огромных размеров, но и одновременно резко увеличить норы и сделать их устойчивыми. Настолько, что в них стало возможно проникновение и даже достаточно крупных тел.
Правда, тут получается одна загвоздка. Дело в том, что хотя крупные тела, согласно этой модели, и могут войти в кротовую нору, гравитационное влияние на них при входе должно быть весьма малым. Иначе они будут просто разорваны на части. Но если искривление пространства-времени на входе будет "плавным", то само путешествие через нее не может быть одномоментным. Оно, по расчетам исследователей, займет десятки, а то и сотни световых лет, поскольку выход из кротовой норы, доступной крупному телу, будет находиться весьма далеко от входа.
Исследователи считают, что обнаружить эти объекты во Вселенной хоть и не просто, но все-таки возможно. При том, что они могут быть похожи на черные дыры, отличия все-таки есть. Например, в черной дыре газ, попавший за горизонт событий, сразу же перестает испускать рентгеновское излучение, а тот, что попал в кротовую нору (у которой нет горизонта событий), продолжает это делать. Кстати, подобное поведение газа было недавно зафиксировано "Хабблом" в окрестностях объекта Стрелец A*, который традиционно считается массивной черной дырой. Но, судя по поведению газа, возможно, это устойчивая кротовая нора.
Согласно концепции группы Клайхауса, могут быть и другие признаки, говорящие о существовании кротовых нор. Теоретически можно предположить ситуацию, когда астрономы напрямую отметят неадекватность картины за кротовой норой, если телескоп случайно окажется повернут в ее сектор звездного неба. В этом случае она будет показывать картинку за десятки или сотни световых лет, которую астрономы смогут легко отличить от той, что в действительности должна быть в этом месте. Гравитация звезды (если она будет находиться по ту сторону кротовой норы) также может исказить свет удаленных звезд, проходящий неподалеку от кротовой норы.
Следует заметить, что работа греческих и немецких физиков, хоть и является сугубо теоретической, весьма важна для астрономов. Она впервые систематизирует все возможные признаки кротовых нор, которые можно пронаблюдать. А значит, руководствуясь ей, эти туннели можно обнаружить. То есть теперь ученые знают, что именно им надо искать.
Хотя, с другой стороны, если модель группы Клайхауса соответствует действительности, ценность кротовых нор для человечества резко снижается. Ведь одномоментного перехода в иные миры они не обеспечивают. Хотя, конечно же, изучить их свойства все же следует — вдруг для чего другого пригодятся…
Кадры из фильма «Интерстеллар» с «кротовой дырой» (2014)
Космическая киноэпопея «Интерстеллар» (речь идет о научно-фантастическом фильме, вышедшем на экраны в октябре 2014 года) рассказывает об астронавтах, которые в поисках вариантов спасения человечества обнаруживают «дорогу жизни», представленную загадочным туннелем.
Данный проход необъяснимым способом появляется возле Сатурна и в пространстве-времени проводит человека к далекой галактике, тем самым предоставляя шанс отыскать планеты, населенные живыми существами. Планеты, которые могут стать для людей вторым Домом.
Гипотезе о существовании киношного туннеля, называемого учеными «червоточиной» или «кротовой норой», предшествовала настоящая физическая теория, которую предложил один из первых ученых астрофизиков и бывший профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн.
Кип Торн помогал и астроному, астрофизику, популяризатору науки и одному из тех, кто инициировал проект по поиску внеземного разума - Карлу Сагану - создавать модель кротовой норы для его романа «Контакт». Убедительность зрительных образов в фильме для специалистов по изучению космоса настолько очевидна, что астрофизики признают: это едва ли не самые точные изображения кротовых нор и черных дыр из всех существующих в мировом кино.
Есть только одна «маленькая» деталька в этом фильме, которая не дает покоя внимательному зрителю: полет в подобном в космическом экспрессе - это, конечно же, здорово, но только вот удастся ли пилотам не дать дуба в процессе этого самого межзвездного перемещения?
Создатели космического блокбастера предпочли не упоминать о принадлежности первоначальной теории кротовых нор другим ведущим теоретикам астрофизики - ее начали разрабатывать еще Альберт Эйнштейн вместе со своим ассистентом Натаном Розеном. Эти ученые пробовали решить уравнения Эйнштейна для общей теории относительности так, чтобы в результате получилась математическая модель всей Вселенной, вместе с силами притяжения и элементарными частицами, которые образуют материю. В процессе всего этого предпринималась попытка вообразить пространство как две соединенные друг с другом «мостами» геометрические плоскости.
Параллельно, но автономно от Эйнштейна подобная работа проводилась другим физиком - Людвигом Фламмом, который в 1916 году, также при решении эйнштейновских уравнений, совершил свое открытие подобных «мостов».
Всех трех «мостостроевцев» постигло общее разочарование, поскольку «теория всего сущего» оказалась нежизнеспособной: подобные «мосты» в теории действовали вовсе не так, как всамделишные элементарные частицы.
Тем не менее в 1935 году Эйнштейном и Розеном была опубликована работа, где ими изложена собственная теория туннелей в пространственно-временном континууме. Данный труд по задумке авторов, очевидно, должен был побудить другие поколения ученых поразмышлять о возможности применения подобной теории.
Физиком из Принстонского университета Джоном Уиллером в свое время было введено в словооборот обозначение «червоточина», которым занимавшиеся в бо-х годах изучением построения моделей «мостов» по теории Эйнштейна-Розена. Уиллер подметил: уж больно такой «мост» напоминает ход, прогрызаемый червяком в плоде. Представим себе муравьишку, ползущего от одной стороны груши к другой, - он способен или проползти по всей изогнутой поверхности, или, сократив дорогу, пересечь плод через тоннель-червоточину.
А если вообразить, что наш трехмерный пространственно-временной континуум представляет собой кожицу груши, что словно изогнутая поверхность охватывает «массу» с гораздо большими размерами? Пожалуй, «мост» Эйнштейна-Розена и есть тот самый туннель, прорезающий эту «массу», он позволяет пилотам звездолетов уменьшить расстояние в пространстве между двумя точками. Вероятно, в данном случае речь идет о настоящем математическом решении общей теории относительности.
По мнению Уилера, устья «мостов» Эйнштейна-Розена весьма напоминают так называемую черную дыру Шварцшильда - простую материю, имеющую сферическую форму и столь высокую плотность, что сила ее притяжения не преодолеваема даже светом. У астрономов есть устойчивое мнение о существовании «черных дыр». Как они полагают, эти образования рождаются, когда «коллапсируют» или затухают весьма массивные звезды.
Насколько аргументированна гипотеза о том, что «черная дыра» - то же самое, что и «кротовая нора» или туннель, позволяющий осуществлять дальние космические перелеты? Может, с точки зрения математики, это утверждение и верно. Но лишь в теории: в подобной экспедиции не останется выживших.
Модель Шварцшильда представляет темную середину «черной дыры» в виде сингулярной точки или центрального нейтрального неподвижного шара с бесконечной плотностью. Расчеты Уиллера показывают последствия произошедшего в случае образования подобной «кротовой норы» тогда, когда две сингулярные точки («черные дыры» Шварцшильда) в двух отдаленных частях Вселенной сойдутся в ее «массе» и создадут туннель между ними.
Исследователь выяснил: подобная «кротовая нора» имеет нестабильную природу: туннель поначалу образуется, а затем схлопывается, после чего остаются снова только две сингулярные точки («черные дыры»). Процедура появления и захлопывания туннеля проходит столь молниеносно, что через него не может проникнуть даже луч света, не говоря уже о пытающемся проскользнуть астронавте - его и вовсе проглотит «черная дыра». Не шутки - речь идет о мгновенной смерти, ибо гравитационные силы сумасшедшей мощности разорвут человека на куски.
Торн одновременно с фильмом выпустил книгу «Научные основы фильма „Интерстеллар»». Он в этой работе подтверждает: «Любое тело - живое или неживое - в момент охлопывания туннеля будет раздавлено и разорвано на куски!»
Для другого, альтернативного варианта - вращающейся «черной дыры» Керра - исследователи «белых пятен» в межпланетных путешествиях подыскали иное решение общей теории относительности. У сингулярности внутри «черной дыры» Керра другая, не шаровидная, а кольцеобразная форма.
Ее определенные модели могут дать человеку шанс выжить в межзвездном полете, но лишь в случае прохождения кораблем этой дыры исключительно через центр кольца. Нечто вроде космического баскетбола, только цена попадания здесь - не дополнительные очки: на кону - существование звездолета вместе с его экипажем.
Автор книги «Научные основы фильма „Интерстеллар»» Кип Торн сомневается в состоянии этой теории. Еще в 1987 году он пишет статью про полет через «кротовую нору», где указывает на немаловажную деталь: горловина туннеля Керра имеет весьма ненадежный участок, который называют «горизонт Коши».
Как показывают соответствующие расчеты, едва лишь тело пробует пройти мимо данной точки, туннель схлопывается. Причем и при условии некой стабилизации «кротовой норы», она, как гласит квантовая теория, немедленно заполнится быстрыми частицами высокой энергии.
Следовательно, как сунешься в «черную дыру» Керра, так и останется от тебя сухая поджаренная корочка.
Причина — «жуткое дальнодействие»?
Дело в том, что физики пока не приспособили классические законы гравитации к квантовой теории - данный раздел математики слишком труден для понимания, и многими учеными ему так и не дано точное определение.
Одновременно принстонский ученый Хуан Мальсадена и его коллега из Стэнфорда Леонард Сасскинд предположили, что «кротовые норы», очевидно, - это не что иное, как материальное воплощение запутанности в то время, когда соединяются квантовые объекты - независимо от того, удалены ли они друг от друга.
У Альберта Эйнштейна было свое название такой запутанности - «жуткое дальнодействие», великий физик и не думал соглашаться с общепринятой точкой зрения. Несмотря на это, многими экспериментами доказано существование квантовой запутанности. Более того, она уже используется в коммерческих целях - с ее помощью защищается передача данных в режиме онлайн, к примеру банковских операций.
Как считают Мальсадена и Сасскинд, в больших объемах квантовая запутанность в состоянии повлиять на изменение геометрии пространственно-временного континуума и способствовать возникновению «кротовых нор», имеющих форму сцепленных «черных дыр». Но гипотеза этих ученых не допускает возникновения проходимых межзвездных туннелей.
По словам Мальсадены, данные туннели, с одной стороны, не дают возможности летать быстрее скорости света, а с другой - могут помочь астронавтам все же встретиться там, внутри, с кем-нибудь «иным». Удовольствия, правда, от подобной встречи никакого, поскольку за встречей последует неминуемая гибель от гравитационного удара в центре «черной дыры».
Словом, «черные дыры» - реальная преграда на пути освоения человеком космоса. В таком случае, что могут представлять собой «кротовые норы»? Как полагает ученый Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Ави Леб, у людей на данный счет имеется множество вариантов: раз отсутствует теория, объединяющая общую теорию относительности с квантовой механикой, мы не в курсе всего набора возможных пространственно-временных структур, где возможно появление «кротовых нор».
Но тут тоже не все так просто. Тот же Кип Торн в 1987 году установил особенность для любой «кротовой норы», соответствующей общей теории относительности, коллапсировать в случае, если ее не попробовать удержать в открытом состоянии за счет так называемой экзотической материи, имеющей отрицательную энергию или антигравитацию. Торн уверяет: факт существования экзоматерии можно установить экспериментальным путем.
Эксперименты покажут, что квантовые флуктуации в вакууме, очевидно, способны создавать отрицательное давление между двумя зеркалами, которые помещены совсем рядом.
В свою очередь, как считает Ави Леб, если наблюдать так называемую темную энергию, то эти исследования дадут еще больше оснований увериться в существовании экзотической материи.
Ученый Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики говорит, что «…мы видим, как на протяжении недавней космической истории галактики удаляются от нас со скоростью, возрастающей во времени, как будто на них действует антигравитация - такое ускоряющееся расширение Вселенной можно объяснить, если Вселенная заполнена субстанцией с отрицательным давлением, именно тем материалом, который нужен для возникновения кротовой норы…».
Вместе с тем и Леб, и Торн полагают, что даже если «кротовая нора» в состоянии появиться естественным путем, то для этого потребуется масса экзотической материи. На накопление подобного энергетического запаса и последующей стабилизации такого туннеля будет способна лишь высокоразвитая цивилизация.
Во взглядах на данную теорию также «в товарищах согласья нет». Вот что, к примеру, думает о выводах Леба и Торна их коллега Мальсадена:
«…Полагаю, что идея стабильной проходимой кротовой норы недостаточно вразумительна и, судя по всему, не соответствует известным законам физики…» Сабина Хоссенфельдер из Скандинавского института теоретической физики в Швеции и вовсе разбивает выводы Леба-Торна в пух и прах: «…У нас нет абсолютно никаких доказательств существования экзотической материи. Более того, существует широко распространенное мнение, что она существовать не может, потому что, если бы она существовала, вакуум был бы нестабильным…»
Даже в случае существования подобной экзотической материи, развивает свою мысль Хоссен-фелъдер, передвигаться внутри нее было бы делом крайне неприятным: каждый раз ощущения находились бы в прямой зависимости от степени кривизны пространственно-временной структуры вокруг туннеля и от плотности энергии внутри него. Сабина Хоссенфельдер делает вывод:
«…Это очень похоже на „черные дыры»: слишком велики приливообразующие силы - и человека разорвет на куски…»
Парадоксально, но, невзирая на свой вклад в создание фильма «Interstellar», Торн тоже не особенно верит в то, что подобный проходимый туннель может когда-нибудь появиться. А в возможность прохождения через него (безо всякого вреда!) - астронавтов - и подавно. Он сам в этом признается в своей книге:
«…Если они [тоннели] и могут существовать, то я очень сомневаюсь, что они могут возникнуть в астрофизической Вселенной естественным образом…»
…Вот и верь после этого научно-фантастическим фильмам!
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.
