Содержание
Червоточины – не фантастика, и ученые теперь знают как их искать
Несколько новых исследований предложили методы по поиску кротовых нор для путешествий сквозь пространство и время.
Related video
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна коренным образом изменила представление о фундаментальных понятиях физики, таких как пространство и время. Но также она оставила некоторые неразрешенные загадки. Об этом сообщает Phys.org.
Одними из них были черные дыры, существование которых окончательно подтвердилось лишь в последние несколько лет. Другая загадка – это «червоточины», представляющие из себя мосты между разными точками пространства-времени. Теоретически они могут обеспечить «короткий путь» для космических путешественников в будущем.
Некоторые ученые считают, что смогут обнаружить червоточины уже в ближайшее время. За последние месяцы появилось сразу несколько новых исследований, предлагающих методы поиска червоточин.
Черные дыры и кротовые норы – это особенность уравнений Эйнштейна, возникающая, когда структура пространства-времени сильно искривляется гравитацией.
Например, когда материя чрезвычайно плотная, ткань пространства-времени может настолько искривиться, что даже свет не сможет покинуть ее. Такое явление наблюдается в черных дырах.
Поскольку теория допускает растяжение и изгибание ткани пространства-времени, отсюда следуют всевозможные конфигурации. В 1935 году Эйнштейн и физик Натан Розен описали, как два листа пространства-времени могут быть соединены вместе, создав мост между двумя вселенными. Это один из видов червоточин, и с тех пор было найдено много других возможностей.
Некоторые червоточины могут быть «проходимыми», то есть люди могут проходить через них. Однако для этого кротовые норы должны быть достаточно большими и оставаться постоянно открытыми, сопротивляясь силе тяжести, которая пытается их захлопнуть. Для такой червоточины понадобится огромное количество «отрицательной энергии».
По словам физиков, отрицательная энергия действительно существует, в небольшом количестве ее удалось создать в лабораторных условиях.
Также известно, что за ускорением расширения Вселенной стоит отрицательная энергия. Возможно, природа все таки нашла способ создавать червоточины.
В новой статье, опубликованной в рецензируемом журнале Monthly Notices of the Royal Society, астрономы предположили, что кротовые норы могут существовать в центре некоторых очень ярких галактик. Они предполагают, что материя, выходящая из одной стороны червоточины, будет сталкиваться с материей, которая падает внутрь. Согласно расчетам, такой процесс вызвал бы впечатляющий всплеск гамма-лучей, которые можно увидеть с помощью телескопов.
С помощью анализа излучения также можно будет отличить червоточины от черных дыр, что ранее считалось невозможным. Авторы говорят, что черные дыры производят меньше гамма-лучей и выбрасывают их в виде струи. В это же время, излучение кротовой норы будет выглядеть, как гигантская сфера.
Правда, путешествие через червоточину в центре галактики будет не самым приятным. В центре активной галактики высокие температуры сожгут все до хрустящей корочки.
К счастью, не все червоточины могут располагаться в центре галактик, теоретически существуют и те, что находятся на задворках.
Фото: Lightboxx/Shutterstock
В целом, идея о кротовых норах в центре галактик не нова. Например, ученые выяснили, что в центре Млечного Пути находится сверхмассивная черная дыра, эта кропотливая работа была отмечена Нобелевской премией по физике. Исследователи отслеживали орбиты звезд вблизи черной дыры и нашли отклонения.
Но в недавней статье выдвигается предположение, что гравитационное притяжение могло быть вызвано не черной дырой, а червоточиной.
В отличие от черной дыры, червоточина может «пропускать» часть гравитации от объектов, расположенных на другой стороне. Такое гравитационное воздействие могло бы дать крошечный толчок в движении звезд около центра галактики. Согласно исследованию, в ближайшем будущем, когда чувствительность наших инструментов станет более высокой, можно будет измерить этот конкретный эффект.
В еще одном недавнем исследовании говорится, что в космосе были обнаружены Нечетные радиокружки (ORC). По словам ученых, эти круги огромны и не связаны ни с одним из видимых объектов поблизости. На данный момент открытие не поддается никакому традиционному объяснению, поэтому червоточины были предложены как возможная причина.
В астрономии нечетный радиокруг – это очень большой необъяснимый астрономический объект, который на радиоволнах сильно округлен и ярче по краям. По состоянию на 26 июня 2020 года было обнаружено четыре таких объекта.
Чёрные дыры и кротовые норы: можно ли построить тоннель в другую Вселенную
Чёрные дыры и кротовые норы давно стали привычным атрибутом многих фантастических фильмов и сериалов, в которых космические путешественники используют их для мгновенных перемещений по Вселенной. Что такое чёрные дыры и кротовые норы, насколько правдоподобны путешествия сквозь время и пространство? Какую невероятную правду показывают в фантастических фильмах?
Что такое чёрная дыра?
Чёрной дырой физики называют область пространства-времени со столь сильной гравитацией, что никакая материя, энергия или информация (включая свет) не может покинуть данную область, однажды в неё попав.
Чёрная дыра ограничена в пространстве горизонтом событий: границей чёрной дыры, за пределы которой не может вырваться никакой объект или излучение. Таким образом, наблюдатели, находящиеся вне чёрной дыры, не могут получить никакой информации о том, что делается внутри неё.
Согласно общей теории относительности, геометрия чёрных дыр описывается уравнениями Эйнштейна, связывающими между собой метрику искривленного пространства-времени со свойствами заполняющей его материи, а гравитация — это проявление кривизны пространства-времени.
Увидеть чёрную дыру нельзя, так как внешний наблюдатель не может получать какую-либо информацию напрямую с горизонта событий. Поэтому чёрная дыра может проявлять себя лишь косвенно — по искривлению проходящих рядом лучей света, по электромагнитному излучению от падающей в неё окружающей материи и т.д.
Учёным до сих пор непонятно, что представляют собой внутренние области чёрных дыр, скрытые под горизонтом событий. Согласно большинству моделей чёрных дыр в общей теории относительности, в них должны быть «сингулярности» — точки, линии или поверхности с бесконечно большими значениями кривизны пространства-времени, а также плотности и давления вещества.
Однако многие исследователи считают, что в реальности этого быть не может.
Тоннели в другие измерения
«Кротовые норы» (английский эквивалент названия – wormholes, или червоточины) – самые интригующие объекты Вселенной, о существовании которых спорят ученые. Это конфигурации пространства-времени в виде своеобразных тоннелей между удаленными областями нашей Вселенной или даже между разными вселенными.
«Кротовые норы родственны чёрным дырам, поскольку представляют собой локализованные объекты с достаточно сильной гравитацией и кривизной пространства. Но, в отличие от чёрных дыр, они не имеют «ловушки» — горизонта событий, потому теоретически допускают не только «вход», но и «выход». То есть, их можно пройти насквозь и вернуться», — рассказал профессор Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Сергей Рубин.
Несмотря на то, что кротовые норы не противоречат общей теории относительности и предсказываются некоторыми космологическим теориями, реальные кандидаты на роль таких объектов до сих пор неизвестны.
Кроме того, кротовые норы подразумевают весьма нетипичную геометрию пространства-времени, для поддержания которой требуется материя с экзотическими свойствами (например, с отрицательной плотностью энергии).
«Открытие кротовых нор в природе или их создание в лаборатории означало бы настоящий переворот в физике пространства-времени», — подчеркнул учёный.
Как пролезть в кротовую нору?
Сегодня физики думают о возможности образования кротовых нор, которые не распадаются быстро, а также о том, как сделать их достаточно большими для того, чтобы там поместились и не разрушились хотя бы молекулы.
«Гипотетически возможно отправить геном человека через кротовую нору. Согласно расчётам, существуют и воронки в дополнительные измерения, но они пока совсем маленькие, 10 в минус 31 степени сантиметров», — рассказал Сергей Рубин.
По мнению учёного, через кротовую нору гипотетически возможно в будущем переслать человечество из умирающей Вселенной в другую, только начинающую жить.
Для этого необязательно посылать туда человека физически — можно отправить туда информацию, на основе которой в новой Вселенной наша цивилизация восстановится самостоятельно.
Полная версия: РИА Новости
Что такое червоточины? | Живая наука
Червоточины до сих пор остаются предметом научной фантастики. (Изображение предоставлено Shutterstock)
(открывается в новой вкладке)
Червоточина — это специальное решение уравнений, описывающих общую теорию относительности Эйнштейна , которая соединяет две удаленные точки в пространстве или времени через туннель. В идеале длина этого туннеля короче, чем расстояние между этими двумя точками, что делает червоточину своего рода кратчайшим путем. Хотя червоточины являются одним из основных элементов научной фантастики и захватили общественное воображение, насколько нам известно, червоточины являются лишь гипотетическими. Это законные решения общей теории относительности, но ученые так и не придумали способ поддерживать стабильную червоточину в реальной Вселенной.
Кто открыл червоточины?
Простейшее возможное решение червоточины было обнаружено Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году, поэтому червоточины иногда называют «мостами Эйнштейна-Розена». Эйнштейн и Розен начали с математического решения черной дыры , состоящей из сингулярности (точки бесконечной плотности) и горизонта событий (области, окружающей эту сингулярность , за пределы которой ничто не может выйти). Согласно физике Вселенной , они обнаружили, что могут расширить это решение, включив в него полную противоположность черных дыр: белые дыры.
Эти гипотетические белые дыры также содержат сингулярность, но они действуют в обратном направлении по отношению к черной дыре: ничто не может проникнуть за горизонт событий белой дыры, и любой материал внутри белой дыры немедленно выбрасывается.
Эйнштейн и Розен обнаружили, что теоретически каждая черная дыра связана с белой дырой. Поскольку две дыры будут существовать в разных местах в космосе, туннель — червоточина — соединит два конца.
Что делает червоточину проходимой?
Чтобы пройти через червоточину, этот туннель в пространстве-времени должен быть устойчивым. (Изображение предоставлено: gremlin/Getty Images)
(открывается в новой вкладке)
Однако червоточина, созданная из пары черных и белых дыр, не была бы очень полезной. Во-первых, белые дыры были бы нестабильны. Если вы бросите частицу к горизонту событий белой дыры, частица никогда не достигнет горизонта событий, потому что ничто не может проникнуть в белую дыру. Таким образом, энергия системы будет продолжать увеличиваться до бесконечности, в конечном итоге взорвав белую дыру, по словам физика Университета Колорадо Эндрю Гамильтона (открывается в новой вкладке).
Во-вторых, даже если бы белые дыры могли существовать, единственный способ попасть в такую червоточину — это пересечь горизонт событий черной дыры с другой стороны. Но как только объект пересек горизонт событий, он уже никогда не мог покинуть его.
Таким образом, объекты могли войти в червоточину, но никогда не выбраться наружу.
Наконец, сами червоточины будут нестабильны. Один фотон или частица света, пройдя через туннель червоточины, внесет в систему столько энергии, что туннель разорвется, разрушив червоточину 9.0007 по данным Европейской южной обсерватории (откроется в новой вкладке).
Однако в 1970-х годах физики разработали математические расчеты, необходимые для создания стабильной или «проходимой» червоточины , по словам физика Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Диандиана Вана . Хитрость заключается в том, чтобы переместить вход в туннель червоточины за горизонт событий черной дыры и стабилизировать сам туннель, чтобы материя, проходящая через него, не вызвала немедленного катастрофического коллапса.
Ключевым ингредиентом для стабилизации червоточин является так называемая экзотическая материя или некоторая форма материи с отрицательной массой. К несчастью для таких червоточин, ученые так и не нашли доказательств отрицательной массы, и это нарушило бы закон сохранения импульса , который утверждает, что импульс должен оставаться постоянным, если не применяется никакая сила; объект с отрицательной массой, помещенный рядом с объектом с положительной массой, немедленно ускорится без источника энергии.
Как выглядят червоточины?
Если бы такая червоточина действительно существовала, это выглядело бы очень странно. Вход будет сферой, похожей на поверхность планеты. Если бы вы посмотрели в него, вы бы увидели свет, идущий с другой стороны. Туннель червоточины может быть любой длины, и, путешествуя по туннелю, вы будете видеть искаженные изображения области вселенной, из которой вы пришли, и области, в которую вы направляетесь.
Червоточины и путешествия во времени
Теоретически червоточина также может действовать как машина времени. Специальная теория относительности утверждает, что движущиеся часы идут медленно. Другими словами, тот, кто мчится почти со скоростью света, не продвигался бы в свое будущее так же быстро, как тот, кто стоит на месте.
Если бы ученые каким-то образом смогли сконструировать червоточину, изначально два ее конца были бы синхронизированы во времени. Но если бы один конец затем разогнался почти до скорости света, этот конец начал бы отставать от другого конца.
Затем два входа можно было бы объединить, но тогда один из входов оказался бы в прошлом другого, , по словам физика Массачусетского технологического института Эндрю Фридмана, .
Чтобы отправиться в прошлое, нужно просто пройти через один конец. Когда вы выйдете из червоточины, вы окажетесь в своем собственном прошлом.
Как образуются червоточины?
Червоточины могут возникать естественным образом в микроскопических масштабах в квантовой пене. (Изображение предоставлено Shutterstock)
(открывается в новой вкладке)
В настоящее время нет известного способа построить червоточину, и червоточины являются чисто гипотетическими. Хотя экзотическая материя вряд ли существует, может быть другой способ стабилизировать червоточины: отрицательная энергия.
Вакуум пространства-времени заполнен квантовыми полями, фундаментальными квантовыми строительными блоками, которые порождают силы и частицы, которые мы ощущаем, и эти квантовые поля обладают собственным количеством энергии.
Можно построить сценарии, в которых квантовая энергия в определенной области ниже, чем в ее окружении, что делает эту энергию отрицательной на локальном уровне. Такая отрицательная энергия существует в реальном мире в виде эффекта Казимира, при котором отрицательные квантовые энергии между двумя параллельными металлическими пластинами заставляют пластины притягиваться, по данным математика из Калифорнийского университета в Риверсайде Джона Баэза (открывается в новой вкладке).
Но никто не знает, можно ли использовать эту отрицательную квантовую энергию для стабилизации червоточины. Это может быть даже не «правильный» вид отрицательной энергии, поскольку он отрицателен только по отношению к своему окружению, а не в абсолютном смысле.
Червоточины могут возникать естественным образом в микроскопических масштабах в квантовой пене , бурлящей природе пространства-времени на самых крошечных масштабах из-за тех же самых квантовых энергий. В этом случае червоточины могут постоянно появляться и исчезать.
Но опять же, неясно, как «увеличить» эти червоточины до размеров, достаточно больших, чтобы вы могли пройти через них, и сохранить их стабильность.
Дополнительные ресурсы
- Узнайте больше о червоточинах из подкаста «Спросите космонавта» (открывается в новой вкладке)
- Узнайте больше о червоточинах в книге Пола Саттера « Как умереть в космосе (открывается в новой вкладке)»
- Смотрите больше о червоточинах из PBS SpaceTime (открывается в новой вкладке)
Пол М. Саттер — профессор-исследователь в области астрофизики в Университете Стоуни-Брук Университета штата Нью-Йорк и Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Он регулярно появляется на телевидении и в подкастах, в том числе «Спросите космонавта». Он является автором двух книг: «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», а также регулярно публикуется на Space.com, Live Science и других ресурсах. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего прошел стажировку в Триесте, Италия.
Что такое червоточины? | Живая наука
Червоточины до сих пор остаются предметом научной фантастики. (Изображение предоставлено Shutterstock)
(открывается в новой вкладке)
Червоточина — это специальное решение уравнений, описывающих общую теорию относительности Эйнштейна , которая соединяет две удаленные точки в пространстве или времени через туннель. В идеале длина этого туннеля короче, чем расстояние между этими двумя точками, что делает червоточину своего рода кратчайшим путем. Хотя червоточины являются одним из основных элементов научной фантастики и захватили общественное воображение, насколько нам известно, червоточины являются лишь гипотетическими. Это законные решения общей теории относительности, но ученые так и не придумали способ поддерживать стабильную червоточину в реальной Вселенной.
Кто открыл червоточины?
Простейшее возможное решение червоточины было обнаружено Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году, поэтому червоточины иногда называют «мостами Эйнштейна-Розена».
Эйнштейн и Розен начали с математического решения черной дыры , состоящей из сингулярности (точки бесконечной плотности) и горизонта событий (области, окружающей эту сингулярность , за пределы которой ничто не может выйти). Согласно физике Вселенной , они обнаружили, что могут расширить это решение, включив в него полную противоположность черных дыр: белые дыры.
Эти гипотетические белые дыры также содержат сингулярность, но они действуют в обратном направлении по отношению к черной дыре: ничто не может проникнуть за горизонт событий белой дыры, и любой материал внутри белой дыры немедленно выбрасывается.
Эйнштейн и Розен обнаружили, что теоретически каждая черная дыра связана с белой дырой. Поскольку две дыры будут существовать в разных местах в космосе, туннель — червоточина — соединит два конца.
Что делает червоточину проходимой?
Чтобы пройти через червоточину, этот туннель в пространстве-времени должен быть устойчивым.
(Изображение предоставлено: gremlin/Getty Images)
(открывается в новой вкладке)
Однако червоточина, созданная из пары черных и белых дыр, не была бы очень полезной. Во-первых, белые дыры были бы нестабильны. Если вы бросите частицу к горизонту событий белой дыры, частица никогда не достигнет горизонта событий, потому что ничто не может проникнуть в белую дыру. Таким образом, энергия системы будет продолжать увеличиваться до бесконечности, в конечном итоге взорвав белую дыру, по словам физика Университета Колорадо Эндрю Гамильтона (открывается в новой вкладке).
Во-вторых, даже если бы белые дыры могли существовать, единственный способ попасть в такую червоточину — это пересечь горизонт событий черной дыры с другой стороны. Но как только объект пересек горизонт событий, он уже никогда не мог покинуть его. Таким образом, объекты могли войти в червоточину, но никогда не выбраться наружу.
Наконец, сами червоточины будут нестабильны.
Один фотон или частица света, пройдя через туннель червоточины, внесет в систему столько энергии, что туннель разорвется, разрушив червоточину 9.0007 по данным Европейской южной обсерватории (откроется в новой вкладке).
Однако в 1970-х годах физики разработали математические расчеты, необходимые для создания стабильной или «проходимой» червоточины , по словам физика Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Диандиана Вана . Хитрость заключается в том, чтобы переместить вход в туннель червоточины за горизонт событий черной дыры и стабилизировать сам туннель, чтобы материя, проходящая через него, не вызвала немедленного катастрофического коллапса.
Ключевым ингредиентом для стабилизации червоточин является так называемая экзотическая материя или некоторая форма материи с отрицательной массой. К несчастью для таких червоточин, ученые так и не нашли доказательств отрицательной массы, и это нарушило бы закон сохранения импульса , который утверждает, что импульс должен оставаться постоянным, если не применяется никакая сила; объект с отрицательной массой, помещенный рядом с объектом с положительной массой, немедленно ускорится без источника энергии.
Как выглядят червоточины?
Если бы такая червоточина действительно существовала, это выглядело бы очень странно. Вход будет сферой, похожей на поверхность планеты. Если бы вы посмотрели в него, вы бы увидели свет, идущий с другой стороны. Туннель червоточины может быть любой длины, и, путешествуя по туннелю, вы будете видеть искаженные изображения области вселенной, из которой вы пришли, и области, в которую вы направляетесь.
Червоточины и путешествия во времени
Теоретически червоточина также может действовать как машина времени. Специальная теория относительности утверждает, что движущиеся часы идут медленно. Другими словами, тот, кто мчится почти со скоростью света, не продвигался бы в свое будущее так же быстро, как тот, кто стоит на месте.
Если бы ученые каким-то образом смогли сконструировать червоточину, изначально два ее конца были бы синхронизированы во времени. Но если бы один конец затем разогнался почти до скорости света, этот конец начал бы отставать от другого конца.
Затем два входа можно было бы объединить, но тогда один из входов оказался бы в прошлом другого, , по словам физика Массачусетского технологического института Эндрю Фридмана, .
Чтобы отправиться в прошлое, нужно просто пройти через один конец. Когда вы выйдете из червоточины, вы окажетесь в своем собственном прошлом.
Как образуются червоточины?
Червоточины могут возникать естественным образом в микроскопических масштабах в квантовой пене. (Изображение предоставлено Shutterstock)
(открывается в новой вкладке)
В настоящее время нет известного способа построить червоточину, и червоточины являются чисто гипотетическими. Хотя экзотическая материя вряд ли существует, может быть другой способ стабилизировать червоточины: отрицательная энергия.
Вакуум пространства-времени заполнен квантовыми полями, фундаментальными квантовыми строительными блоками, которые порождают силы и частицы, которые мы ощущаем, и эти квантовые поля обладают собственным количеством энергии.
Можно построить сценарии, в которых квантовая энергия в определенной области ниже, чем в ее окружении, что делает эту энергию отрицательной на локальном уровне. Такая отрицательная энергия существует в реальном мире в виде эффекта Казимира, при котором отрицательные квантовые энергии между двумя параллельными металлическими пластинами заставляют пластины притягиваться, по данным математика из Калифорнийского университета в Риверсайде Джона Баэза (открывается в новой вкладке).
Но никто не знает, можно ли использовать эту отрицательную квантовую энергию для стабилизации червоточины. Это может быть даже не «правильный» вид отрицательной энергии, поскольку он отрицателен только по отношению к своему окружению, а не в абсолютном смысле.
Червоточины могут возникать естественным образом в микроскопических масштабах в квантовой пене , бурлящей природе пространства-времени на самых крошечных масштабах из-за тех же самых квантовых энергий. В этом случае червоточины могут постоянно появляться и исчезать.
Но опять же, неясно, как «увеличить» эти червоточины до размеров, достаточно больших, чтобы вы могли пройти через них, и сохранить их стабильность.
Дополнительные ресурсы
- Узнайте больше о червоточинах из подкаста «Спросите космонавта» (открывается в новой вкладке)
- Узнайте больше о червоточинах в книге Пола Саттера « Как умереть в космосе (открывается в новой вкладке)»
- Смотрите больше о червоточинах из PBS SpaceTime (открывается в новой вкладке)
Пол М. Саттер — профессор-исследователь в области астрофизики в Университете Стоуни-Брук Университета штата Нью-Йорк и Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Он регулярно появляется на телевидении и в подкастах, в том числе «Спросите космонавта». Он является автором двух книг: «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», а также регулярно публикуется на Space.com, Live Science и других ресурсах. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего прошел стажировку в Триесте, Италия.