Содержание
Кротовая нора: что это и почему их до сих пор не нашли
РБК Тренды разобрались в одном из самых таинственных феноменов астрофизики и постарались приблизиться к пониманию, как сегодня изучают и открывают новые грани возможных путешествий во времени и пространстве
Кротовая нора — это гипотетический астрофизический объект с искажением пространства и времени, в теории дающий возможность путешествовать даже сквозь разные вселенные. Как ее можно представить?
По-научному
В 1935 году физики-теоретики Альберт Эйнштейн и Натан Розен сделали смелое предположение о том, что в мире где-то должны существовать такие пространственно-временные «каналы», которые могут соединить две вселенные. Эти так называемые «мосты» Эйнштейна-Розена, представляющие собой сложные пространственные структуры, позднее получили название «кротовые норы» (аналог английского слова wormhole, «червоточина», предложенного физиком Джоном Уилером, который также ввел термин black hole — «черная дыра»).
Кстати, как указывает в своей диссертации астрофизик Александр Шацкий, термин «кротовая нора» победил в голосовании, которое проводилось в 2004 году среди семи русскоговорящих ученых, имеющих публикации по этой тематике.
Первая диаграмма кротовой норы (Джон Уилер,1955)
По-простому
Как объясняет профессор Государственного астрономического института имени Штернберга Владимир Липунов, представить кротовую нору можно, сложив листок бумаги пополам, а затем проткнув его. Получившееся отверстие будет подобием кротовой норы.
Как работает кротовая нора?
Кротовые норы описываются уравнениями общей теории относительности. Для их возникновения и стабильного существования необходима экзотическая материя, например, с отрицательной энергией. Такое вещество не должно дать горловине кротовой норы схлопнуться под воздействием гравитации. Нора соединяет разные области пространства-времени.
Подробнее о принципах работы кротовой норы
А что с черной дырой?
Кротовые норы и черные дыры — два типа объектов, которые в зависимости от характеристик могут как быть очень похожими, так и сильно отличаться.
«Кротовые норы и черные дыры являются двумя разными типами решений уравнений общей теории относительности. Отличительная особенность черной дыры — это наличие горизонта событий, из пределов которого ничего не может вырваться обратно ввиду сильного гравитационного поля. У черной дыры обязательно есть горизонт событий, но она не обязательно связывает разные области пространства-времени или разные вселенные. А атрибут кротовой норы — как раз связь таких областей, но горизонта событий в ней может и не быть. И если у кротовой норы все же есть горизонт событий, снаружи она выглядит так же, как черная дыра», — поясняет заведующий кафедрой теоретической физики Московского физико-технического института Эмиль Ахмедов.
Какими бывают кротовые норы?
Согласно исследованиям, существующие кротовые норы можно разделить на несколько подвидов:
- Непроходимые
Они внешне напоминают черную дыру, но внутри такой дыры нет сингулярности, то есть бесконечной плотности материи, которая разрывает и уничтожает любую другую материю, попадающую в нее.
В теории у таких нор даже нельзя поймать сигнал — они разрушаются слишком быстро.
- Проходимые
Эти норы можно пересекать в обе стороны, что дает возможность для путешествий на большие расстояния без нарушения скоростного предела. Чтобы быть проходимой, кротовая нора должна быть заполнена темной материей.
- Межмировые
Ряд ученых считает, что кротовые норы способны соединять не только точки в нашей вселенной, но и стать «коридорами» во вселенные параллельные.
- Внутримировые
Если один из входов в кротовую нору движется относительно другого, или если он находится в мощном гравитационном поле, где замедляется временной поток, то такая нора способна стать настоящей машиной времени.
Почему кротовые норы до сих пор не обнаружены?
Принцип функционирования кротовых нор теоретически обоснован, но экспериментально они пока не наблюдаются. Есть мнение, что микроскопические кротовые норы существуют в космическом пространстве на уровне взаимодействия элементарных частиц высоких энергий.
Есть ли в природе широкие кротовые туннели, еще неизвестно. Современные технические устройства пока не позволяют увидеть эти объекты, но технологии развиваются.
Стоит ли вообще искать кротовую нору?
Конечно, каждому писателю-фантасту или же режиссеру фильма о космосе подвластно создать кротовую нору любых размеров и проявлений. Однако ученые, порой, под сомнение ставят не только вопрос целесообразности изучения кротовой норы, но и сам факт ее существования.
«Говоря о кротовой норе, мы имеем дело с так называемым парадоксом Энрико Ферми, который можно сформулировать в одно простое изречение: «Если бы что-то существовало, то мы бы давно это увидели». Пока что достоверных и научно доказанных фактов существования кротовых нор, к сожалению, нет. Иначе, как я люблю говорить, уже бы давно в каждой квартире налогоплательщика была бы кротовая нора», — отметил Владимир Липунов.
Однако, по мнению Эмиля Ахмедова, не все так просто и категорично. Однозначно утверждать, что кротовые норы существуют только математически и на бумаге, нельзя.
По словам ученого, уравнения Эйнштейна не очень ограничительные — это значит, что у них много различных решений, и не все из них обязаны реализоваться в природе. Например, белые дыры существуют как решения уравнений гравитации, но вполне вероятно, что в природе их нет. При этом черные дыры регистрируются, и уже есть их фото. Еще один важный факт — некоторые из этих гипотетических объектов неустойчивы, т.е. живут достаточно короткое время, как поставленная на ребро монета, которая может упасть при малейшем дуновении ветра.
Можно ли создать кротовую нору искусственно?
В теории, в далеком будущем и при должном уровне развития ускорительной техники — да.
«Для создания кротовой норы, которая позволит быстро перемещаться между различными областями Вселенной, нужна экзотическая энергия, например, темная энергия достаточно высокой плотности или энергия микроскопических квантовых флуктуаций. Микроскопические кротовые норы, возможно, удастся создать в далеком будущем. Для этого нужны очень высокие энергии, которые пока не реализуются на современных ускорителях, но могут быть достигнуты с их развитием.
А вот как искусственно создать большие кротовые норы, которые позволят космическому кораблю быстро перелететь в удаленную область нашей Вселенной, пока не очень ясно», — отмечает Эмиль Ахмедов.
Возможны ли путешествия сквозь кротовые норы?
Пока что идея кротовой норы — единственная надежда человечества на путешествия на очень большие расстояния за разумное время.
Учитывая существующий уровень технологий, человечеству в обозримом будущем удастся создать звездолеты, которые будут тратить десятки или даже сотни лет на путешествия до ближайших звезд. На этих аппаратах должны будут смениться целые поколения космонавтов. А вот с использованием кротовых нор можно было бы сильно ускорить такие путешествия, как это было показано в «Стартреке» или «Интерстелларе».
Кем нора «вырыта» сегодня?
Сложности исследования и гипотетического создания кротовых нор связаны со спецификой уравнений Эйнштейна и поиском той самой экзотической материи. Но ученые продолжают «копать», пусть и работа над всесторонним изучением решений уравнений гравитации и их технической реализацией займет не одно столетие.
«Недавно удалось найти несколько интересных решений, вроде кротовых нор, для которых достаточно и обычной материи. Их предложил профессор Хуан Малдасена из Принстона в соавторстве с бывшими студентами МФТИ Федором Поповым и Алексеем Милехиным. У этих решений есть недостатки с точки зрения реализации быстрых космических путешествий. Но не исключено, что в будущем получится найти кротовые норы с обычной материей, имеющие достаточно большие размеры и существующие достаточно долго. Если это удастся, то останется преодолеть технологические сложности — создать такую нору на практике, чтобы в нее смог пролететь космический корабль», — добавил Ахмедов.
Открыто главное внешнее отличие червоточины в космосе
Что такое чёрная дыра
Пространство-время, как мы теперь понимаем благодаря Эйнштейну, это как невидимая ткань, в которую вшито всё, что мы видим, вместе с нами. И всё, что вшито (а именно, любая масса), эту ткань деформирует, скручивает. Это и есть гравитация. И яблоко Ньютона, и самого Ньютона, и Международную космическую станцию всё время словно утягивает в воронку, которую образовала в пространстве-времени масса планеты Земля.
Мы находимся в искривлённом пространстве-времени. И на самом деле даже трудно сказать, где же это пространство-время является «нормальным», «ровным», нетронутым: совершенно очевидно, что кривизна идёт не только внутри какой-то звёздной системы, звёзды, в свою очередь, тоже подчиняются тяготению центра галактики.
Фрагмент видео © Giphy / gustavo
А чем массивнее объект, тем сильнее искривление. И тем медленнее идёт около него время. По примерным представлениям физиков, земное ядро на пару лет моложе поверхности, то есть там сейчас 2020 год.
Чёрная дыра звёздной массы — это бывшее ядро очень-очень тяжеловесной звезды в десятки Солнц. Звезда состарилась, топливо для термоядерной реакции иссякло, внешняя мантия сбрасывается и устраивает невероятную вспышку (взрыв сверхновой, который, на самом деле, для понимания впору называть взрывом «сверхстарой»), а ядро схлопывается до такой степени, что даже свет (безмассивные фотоны!) не в силах вырваться. Бывают и сверхмассивные чёрные дыры, именно они, по мнению астрофизиков, находятся в центре спиральных галактик, включая наш Млечный путь.
Что такое кротовая нора и как в неё попасть
Что внутри чёрной дыры, пока можно только гадать. Теоретически выходит, что там время полностью останавливается. А «воронка» в пространстве становится уже не «воронкой», а тоннелем, ведущим неизвестно куда. Отсюда и гипотеза о том, что любая чёрная дыра — потенциальный вход в червоточину.
Но дело в том, что мы просто так туда при всём желании не попадём. Во-первых, наш корабль вместе с нами по мере приближения к горизонту событий (условной «поверхности» чёрной дыры) будет вытягивать и, в конце концов, просто разорвёт. А из-за гравитационного замедления времени может быть так, что на Земле, допустим, столетия уже миновали, про нас потомки уже и в школе не проходят, а нас там всё продолжает и продолжает тягомотно разрывать, в этом космическом слоу-моушн.
А во-вторых, даже если бы мы и могли долететь в целости до гипотетического входа в кротовую нору, то как только мы входа коснёмся, его не станет.
Поэтому с одной гравитацией чёрной дыры это получается непроходимая кротовая нора. А вот чтобы она стала проходимой, чтобы вход был стабилен, к гравитации надо добавить вторую, зеркально противоположную таинственную силу, которая всё быстрее и быстрее расширяет Вселенную и которая, судя по всему, и устроила Большой взрыв: антигравитацию. Именно таким свойством, видимо, обладает тёмная энергия, составляющая сейчас процентов 70-75 всей Вселенной. Для справки: ещё примерно 22% — это тёмная материя, то есть невидимая невероятная масса, и оставшиеся жалкие 4% — это, собственно, мириады разбегающихся галактик, а в них — звёзды, планеты, ну и наш собственный камешек в небе, на котором возник и осознал своё ничтожество некий «человейник».
Так вот, есть мнение, что если бы чёрную дыру можно было окружить кольцом такой тёмной энергии, то при сочетании гравитации с антигравитацией посередине бы действительно открылась бездна, в которую можно при желании проникнуть без жертв и повреждений. Значит, кротовая нора — это чёрная дыра в круге антигравитации.
Теория этого не запрещает, то есть неизвестно на сегодняшний день ничего такого, что бы категорически делало это невозможным. А тогда надо полагать, что так может быть.
Кротовая нора вручную
Учёные задались вопросом, как это по идее должно выглядеть, то есть как можно было засечь на отснятых телескопом изображениях долгожданную дверь в другой мир. И они считают, что антигравитационное кольцо должно будет создать мощнейшее магнитное поле. Исследователи решили сравнительно примитивным способом воспроизвести этот эффект: намагнитили кольцо, заполненное жидкостью, и принялись смотреть, что около этого кольца происходит. А происходить стало то, что кольцо начинало светиться, пролетающие рядом частицы создавали вокруг себя магнитные поля, и под их действием свет приобретал определённые характеристики, которые можно измерить: волны света начинали колебаться определённым образом (это называется поляризацией света).
Фрагмент видео © Giphy / iamswitch
И удивительный вывод этого эксперимента заключается в том, что это свечение оказалось поразительно похоже на то самое, которое мы, собственно говоря, и наблюдаем вокруг многих и многих известных на сегодняшний день чёрных дыр.
Мы привыкли считать, что это просто свечение вещества, которое утягивается в чёрную дыру и носится вокруг неё с адскими скоростями. А теперь получается, что не факт, что это может оказаться свечением вещества, намагниченного антигравитацией. А значит, опознавательным знаком, обозначающим вход в межгалактическое (а может, и соединяющее целые Вселенные) метро.
Дыра в Стрельце. Учёные решили заглянуть в кротовую нору
Адель Романенкова
- Статьи
- Вселенная
- Наука и Технологии
Комментариев: 0
Для комментирования авторизуйтесь!
Что такое червоточины? | Astronomy.com
Из-за этих интересных особенностей многие писатели-фантасты используют червоточины в романах и фильмах. Однако ученые были так же увлечены идеей червоточин, как и писатели.
Хотя исследователи никогда не находили червоточины в нашей Вселенной, ученые часто видят червоточины, описанные в решениях важных физических уравнений. Наиболее заметно то, что решения уравнений, лежащих в основе эйнштейновской теории пространства-времени и общей теории относительности, включают червоточины.
Эта теория описывает форму Вселенной и то, как в ней движутся звезды, планеты и другие объекты. Поскольку теория Эйнштейна проверялась много-много раз и каждый раз оказывалась верной, некоторые ученые предполагают, что где-то во Вселенной существуют червоточины.
Но другие ученые считают, что червоточины не могут существовать, потому что они слишком нестабильны.
Постоянное притяжение влияет на каждый объект во Вселенной, включая Землю. Так что гравитация тоже будет влиять на червоточины. Ученые, которые скептически относятся к червоточинам, считают, что через короткое время середина червоточины разрушится под действием собственной гравитации, если не будет силы, выталкивающей наружу изнутри червоточины, чтобы противодействовать этой силе. Наиболее вероятный способ сделать это — использовать так называемую «отрицательную энергию», которая противостоит гравитации и стабилизирует червоточину.
Но, насколько известно ученым, отрицательная энергия может создаваться только в количествах, слишком малых для противодействия собственной гравитации червоточины.
Вполне возможно, что Большой взрыв создал крошечные червоточины с небольшим количеством отрицательной энергии еще в начале Вселенной, и со временем эти червоточины расширились по мере расширения Вселенной.
В этом коротком видео от Fusion профессор Калифорнийского технологического института резюмирует, что такое червоточины, и вопрос стабильности, который ставит ученых в тупик.
Несмотря на то, что червоточины являются интересными объектами для размышлений, они до сих пор не приняты в традиционной науке. Но это не значит, что они не реальны — черные дыры, которых, как мы, астрофизики, знаем, предостаточно в нашей Вселенной, не были приняты, когда ученые впервые предположили, что они существуют, еще в 1910-х годах.
Эйнштейн впервые сформулировал свои знаменитые уравнения поля в 1915 году, а немецкий ученый Карл Шварцшильд нашел способ математически описать черные дыры всего за год.
Однако это описание было настолько своеобразным, что ведущие ученые той эпохи отказывались верить в то, что черные дыры действительно могут существовать в природе. Людям потребовалось 50 лет, чтобы начать серьезно относиться к черным дырам — термин «черная дыра» даже не был придуман до 19 лет.67.
То же самое может случиться и с червоточинами. Ученым может потребоваться некоторое время, чтобы прийти к единому мнению о том, могут ли они существовать. Но если они найдут веские доказательства, указывающие на существование червоточин — что они могут сделать, наблюдая за странными движениями звездных орбит, — открытие изменит то, как ученые видят и понимают Вселенную.
Привет, любознательные дети! У вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта? Попросите взрослого отправить ваш вопрос по адресу [email protected]. Пожалуйста, сообщите нам ваше имя, возраст и город, в котором вы живете.
А поскольку любознательность не имеет возрастных ограничений, взрослые, дайте нам знать, что вас интересует.
Мы не сможем ответить на все вопросы, но постараемся.
Деян Стойкович, профессор физики Университета Буффало
Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.
Что такое теория червоточин? | Космос
Червоточины — это гипотетические мосты через пространство-время.
(Изображение предоставлено Гетти)
Теория червоточин постулирует, что теоретический проход через пространство-время может создать короткие пути для длительных путешествий по вселенной. Червоточины предсказаны общей теорией относительности. Но будьте осторожны: червоточины несут с собой опасность внезапного коллапса, высокой радиации и опасного контакта с экзотической материей.
Теория червоточин
Впервые червоточины были выдвинуты в теории в 1916 году, хотя в то время их так не называли. Изучая решение другого физика уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, австрийский физик Людвиг Фламм понял, что возможно другое решение.
Он описал «белую дыру», теоретическое обращение времени черной дыры. Входы как в черные, так и в белые дыры могут быть соединены пространственно-временным каналом.
В 1935 году Эйнштейн и физик Натан Розен использовали общую теорию относительности для развития идеи, предполагая существование «мостов» через пространство-время. Эти мосты соединяют две разные точки в пространстве-времени, теоретически создавая кратчайший путь, который может сократить время и расстояние в пути. Обратные пути стали называть мостами Эйнштейна-Розена или червоточинами.
«На данный момент все это очень гипотетично», — сказал Стивен Хсу, профессор теоретической физики в Орегонском университете, нашему дочернему сайту LiveScience . «Никто не думает, что мы найдем червоточину в ближайшее время».
Червоточины содержат два входа, с горлом, соединяющим их, согласно статье, опубликованной в Журнале физики высоких энергий (2020). Рты, скорее всего, были бы сфероидальными. Горло может быть прямым участком, но оно также может извиваться, занимая более длинный путь, чем может потребоваться более традиционный маршрут.
Общая теория относительности Эйнштейна математически предсказывает существование червоточин, но пока ни одна из них не обнаружена. Червоточину с отрицательной массой можно обнаружить по тому, как ее гравитация влияет на проходящий мимо свет.
Некоторые решения общей теории относительности допускают существование червоточин, устье каждой из которых представляет собой черную дыру. Однако естественная черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса умирающей звезды, сама по себе не создает червоточину.
Через червоточину
Научная фантастика полна рассказов о путешествиях через червоточины (откроется в новой вкладке). Но реальность такого путешествия более сложна, и не только потому, что мы еще не заметили его.
Первая проблема — размер. Предполагается, что первичные червоточины существуют на микроскопическом уровне, примерно 10 –33 сантиметров. Однако по мере расширения Вселенной возможно, что некоторые из них растянулись до больших размеров.
Вселенная начала расширяться сразу после Большого Взрыва. (Изображение предоставлено Getty)
Еще одна проблема связана со стабильностью. Предсказанные червоточины Эйнштейна-Розена были бы бесполезны для путешествий, потому что они быстро разрушаются.
«Чтобы стабилизировать червоточину, вам понадобится какой-то очень экзотический тип материи, — сказал Хсу, — и неясно, существует ли такая материя во Вселенной».
Статьи по теме
Но более поздние исследования показали, что червоточина, содержащая «экзотическую» материю, может оставаться открытой и неизменной в течение более длительных периодов времени.
Экзотическая материя, которую не следует путать с темной материей или антиматерией, содержит отрицательную плотность энергии и большое отрицательное давление. Такая материя была замечена только в поведении определенных состояний вакуума в рамках квантовой теории поля.
Если бы червоточина содержала достаточное количество экзотической материи, естественной или искусственно добавленной, ее теоретически можно было бы использовать в качестве метода отправки информации или путешественников в космосе, согласно Live Science .
К сожалению, человеческие путешествия по космическим туннелям могут оказаться сложными.
«Присяжных нет, поэтому мы просто не знаем», — сказал Space.com физик Кип Торн, один из ведущих мировых авторитетов в области теории относительности, черных дыр и червоточин. «Но есть очень веские признаки того, что червоточины, через которые может путешествовать человек, запрещены законами физики. Это печально, это прискорбно, но это то направление, в котором все указывает».
Как работают червоточины?
Червоточины могут не только соединять два отдельных региона во вселенной, они также могут соединять две разные вселенные. Точно так же некоторые ученые предположили, что если одно устье червоточины перемещается определенным образом, это может позволить путешествовать во времени.
«Вы можете отправиться в будущее или в прошлое, используя проходимые червоточины», — сказал LiveScience астрофизик Эрик Дэвис . Но это будет непросто: «Потребуются геркулесовы усилия, чтобы превратить червоточину в машину времени.
Это будет достаточно сложно, чтобы создать червоточину».
Однако британский космолог Стивен Хокинг утверждал, что такое использование невозможно.
«Червоточина на самом деле не способ вернуться в прошлое, это кратчайший путь, так что то, что было далеко, становится намного ближе», — сказал Эрик Кристиан из НАСА .
Хотя добавление экзотического вещества в червоточину может стабилизировать ее до такой степени, что пассажиры-люди смогут безопасно проходить через нее, все же существует вероятность того, что добавления «обычного» вещества будет достаточно, чтобы дестабилизировать портал.
Сегодняшних технологий недостаточно, чтобы увеличить или стабилизировать червоточины, даже если их удастся найти. Тем не менее, ученые продолжают изучать эту концепцию как метод космических путешествий в надежде, что технологии в конечном итоге смогут их использовать.
«Вам понадобятся супер-супер-продвинутые технологии», — сказал Сюй. «Люди не будут делать этого в ближайшем будущем».
Дополнительные ресурсы
Какая из теорий Альберта Эйнштейна оказалась верной? Прочтите статью НАСА о 10 вещах, которые Эйнштейн сделал правильно (откроется в новой вкладке), чтобы узнать. Чтобы увидеть представление художника о червоточине, посмотрите этот короткий отрывок из фильма ESA «15 Years of Discovery ».
Библиография
«Червоточины, через которые можно пройти с помощью фантомной энергии». Физический обзор D (2005). https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.71.084011 (откроется в новой вкладке)
«Червоточины в пространстве-времени и их использование для межзвездных путешествий». Американский журнал физики (1987). https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.15620 (открывается в новой вкладке)
«Общая теория относительности». Значение относительности (1922). https://link.springer.com/chapter/10 (открывается в новой вкладке)
«Многоротовые проходимые червоточины». Журнал физики высоких энергий (2020 г.) https://www.