Кротовые норы: Французский физик доказал стабильность кротовых нор |

Содержание

Французский физик доказал стабильность кротовых нор

Кротовые норы, допускающие быстрое перемещение в другую часть Вселенной или даже совершать путешествия во времени, могут быть не только возможны, но и стабильны. Об этом говорит новая теория, развитая французским физиком Паскалем Койраном из Высшей нормальной школы в Лионе, применившим для своих вычислений модифицированную метрику Эддингтона — Финкельштейна. Его статья, появившаяся в октябре в базе данных препринтов arXiv.org, планируется к публикации в ближайшем выпуске Journal of Modern Physics D.

Возможность существования кротовых нор, или пространственно-временных туннелей, проколов в метрике, позволяющих быстро преодолевать практически любые расстояния, была предсказана на основе Общей теории относительности Эйнштейна. По-английски их именуют «червоточины» (wormholes), это название в 1956 году ввел в оборот Джон Уилер, которому наука обязана также термином «черная дыра».

До нового исследования физика Паскаля Койрана было широко распространено мнение, что для поддержания «червоточины» в открытом состоянии потребуется некая теоретическая экзотическая материя, поскольку иначе туннель быстро исчезнет после его создания без силы, удерживающей его от «схлопывания».

«Никто не знает, с чего начать, и можно ли сделать червоточину в реальности, но думать о них довольно забавно, и они отлично подойдут для исследования нашей огромной Вселенной»,

— пояснила в своем комментарии для газеты Daily Express австралийский астрофизик Ханна Миддлтон из Мельбурнского университета.

«Цунами гравитационных волн»: ученые открыли новые слияния черных дыр

Ученые сообщили о 35 новых открытиях слияний черных дыр и нейтронных звезд с помощью наблюдений…

08 ноября 12:08

Обычно проблема построения кротовых нор заключается в том, чтобы подобрать такую конфигурацию материи и энергии, чтобы это позволило сформировать стабильный туннель, пропускающий не только отдельные частицы, но и крупные тела. К тому же кротовые норы, «построенные» обычным способом в рамках Общей теории относительности, оказывались фактически непроходимыми. Входы в такие кротовые норы скрываются за горизонтом событий, который остается для нас непреодолимым препятствием. Это означает, что если человек даже попадет в такую кротовую нору, то выбраться из нее уже не сможет.

Другая проблема связана с тем, что макроскопические кротовые норы могут оказаться очень нестабильными — если даже одиночный фотон или другая легкая частица попадает в горловину, то вся червоточина неминуемо разрушится, прежде чем эта частица успеет дойти до конечной точки. Считалось, что для стабилизации кротовой норы необходимо создавать ее из экзотической материи, обладающей свойством отрицательной энергии, что опять же в рамках обычных теорий достижимо пока лишь в микроскопических квантовых масштабах.

Новая теория противоречит предыдущим предсказаниям о том, что все эти образования должны мгновенно схлопываться и дает шанс на построение стабильных кротовых нор. Вся разница тут в небольших отличиях математических теорий, используемых для описания таких червоточин, которые в конечном итоге кардинально меняют общую картину их поведения.

Хотя основные правила общей теории относительности неизменны, теория предоставляет большую свободу для математического описания координат перемещающихся объектов — физики именуют эти разные описания «метриками». Различные метрики можно представить как разные способы описания того, как добраться до того или иного пункта назначения — руководствуясь, скажем, широтой и долготой по спутниковому навигатору или какими-то относительными ориентирами вроде названий улиц.

Точно так же физики могут использовать разные метрики для описания одной и той же ситуации, и иногда одна метрика бывает более полезна, чем другая. Когда дело доходит до черных дыр и кротовых нор, тут есть несколько потенциальных возможностей описания их поведения. Самая известная метрика Шварцшильда, названная в честь немецкого физика и астронома Карла Шварцшильда, позволила впервые описать свойства черных дыр, однако описывая «маршруты» движения через кротовые норы с помощью этой метрики, физики сталкиваются с трудностями на определенной дистанции от объекта, определяемой как радиус Шварцшильда, или горизонт событий. Разрушение метрики, происходящее в таких случаях, не позволяет корректно описывать разные точки в пространстве-времени.

Есть, впрочем, и альтернатива — еще одна метрика, называемая метрикой Эддингтона — Финкельштейна, которая описывает, что происходит с частицами, когда они достигают горизонта событий: они проходят сквозь черную дыру и падают в нее, чтобы никогда больше не появиться в прежнем мире. Одним из преимуществ этой системы координат считается то, что особенности на радиусе Шварцшильда она трактует всего лишь как координатные сингулярности, а не истинно физические. Но причем здесь кротовые норы? Дело в том, что самый «простой» способ построить кротовую нору — это «расширить» «обычную» черную дыру, соединив ее с противоположной, «зеркальной» сущностью, «белой дырой». Эта идея была впервые предложена Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном, поэтому кротовые норы иногда называют также «мостами Эйнштейна — Розена». В то время как черные дыры ничего не выпускают наружу, «белые дыры» никогда ничего не пропускают внутрь себя. Это и позволяет в итоге соорудить кротовую нору, туннель через пространство-время.

Если теоретически кротовую нору можно создать, то возникает вопрос: что произойдет, если кто-то все же попытается сквозь нее пройти? Стандартный ответ заключается в том, что сами по себе «белые дыры» нестабильны (и, вероятно, даже не существуют), а экстремальные силы внутри червоточины заставляют ее растягиваться и искажаться в момент ее образования.

Избегать дутых сенсаций: в NASA придумали, как правильно рассказывать об инопланетянах

Ученые NASA призвали научное сообщество к внедрению нового способа информирования научной общественности…

03 ноября 17:23

Но Эйнштейн и Розен строили свою кротовую нору с помощью обычной метрики Шварцшильда, и большинство исследователей проблем построения кротовых нор используют ту же метрику. Поэтому физик Паскаль Койран из Ecole Normale Supérieure de Lyon во Франции попробовал нечто иное: вместо этого он использовал метрику Эддингтона — Финкельштейна.

Койран обнаружил, что, используя эту метрику, можно легко проследить путь частицы через гипотетическую кротовую нору. Выяснилось, что частица может пересечь горизонт событий, войти в туннель кротовой норы и уйти через другую «горловину», и все это за конечный промежуток времени. Метрика Эддингтона — Финкельштейна не дает сбоев ни на одном этапе этой траектории.

«Хорошо известно, что пробная масса, падающая в черную дыру, не достигает горизонта событий ни при каком конечном значении параметров в рамках метрики Шварцшильда, — говорится в исследовании. — Напротив, мы показываем, что горизонт событий достигается при конечном значении переменной времени в рамках метрики Эддингтона — Финкельштейна».

Означает ли это, что «мосты Эйнштейна — Розена» действительно устойчивы? Не совсем. Общая теория относительности говорит только о поведении гравитации, но не о других силах природы. Термодинамика, описывающая свойства макроскопических систем, свидетельствует о том, что белые дыры нестабильны. И если физики попытаются создать комбинацию черной дыры и белой дыры в реальной Вселенной, используя реальные материалы, то, согласно таким вычислениям, разнонаправленные силы разорвут всю эту конструкцию на части.

Тем не менее результат Койрана все равно интересен, потому что он указывает на то, что червоточины не так катастрофичны, как это казалось прежде, могут существовать стабильные пути через туннели кротовых нор — и это полностью разрешимо в рамках общей теорией относительности.

Физики обосновали существование кротовых нор в пространстве-времени

https://ria.ru/20210311/fizika-1600738836.html

Физики обосновали существование кротовых нор в пространстве-времени

Физики обосновали существование кротовых нор в пространстве-времени — РИА Новости, 11.03.2021

Физики обосновали существование кротовых нор в пространстве-времени

Ученые из Испании, Германии и Португалии создали теоретическую модель кротовой норы — предполагаемого туннеля в пространстве-времени, — не требующей для своего… РИА Новости, 11.03.2021

2021-03-11T14:03

наука

космос — риа наука

физика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/153000/70/1530007014_0:103:828:569_1920x0_80_0_0_6d3d6f6fbe4c3385034922c475d22bb5.jpg

МОСКВА, 11 мар — РИА Новости. Ученые из Испании, Германии и Португалии создали теоретическую модель кротовой норы — предполагаемого туннеля в пространстве-времени, — не требующей для своего существования экзотического состояния вещества. А американские физики определили, какими параметрами должна обладать эта гипотетическая структура, чтобы через нее мог пройти человек. Результаты исследований опубликованы в журналах Physical Review Letters и Physical Review D.Понятие кротовой норы, или червоточины (дословный перевод английского wormhole) ввел в физику американский ученый Джон Арчибальд Уилер. Традиционно ее представляют в виде отверстия, или трехмерной трубы, соединяющей между собой изогнутое двумерное пространство. Через такую трубу можно за секунды переместиться из одной части галактики в другую, путешествовать во времени или между параллельными вселенными.Существование туннеля в пространстве-времени не противоречит общей теорией относительности, но, если бы он существовал, гравитационное притяжение вещества внутри него, по мнению ученых, заставило бы горловину в самом узком месте схлопнуться, препятствуя перемещению с одной стороны кротовой норы на другую. Поэтому в качестве необходимого условия проходимости кротовой норы физики предполагают заполнение ее какой-то экзотической материей с отрицательной плотностью энергии, создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Под экзотической материей понимают любое гипотетическое вещество, которое нарушает одно или несколько классических условий либо не состоит из известных барионов. Подобные вещества могут обладать такими качествами, как отрицательная плотность энергии, и отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Так как законы существования экзотической материи неизвестны, такие кротовые норы нельзя описать с помощью уравнений классической физики.Исследователям под руководством Хосе Бласкес-Сальседо (Jose Blázquez-Salcedo) из Мадридского университета Комплутенсе впервые удалось описать проходимую кротовую нору без привлечения экзотических веществ, с помощью релятивистски инвариантных уравнений Эйнштейна-Дирака-Максвелла для точечных фермионов со спином ½, таких как электроны и позитроны. Материю в ней ученые рассматривают как набор общих фермионов, обладающих квантовыми волновыми функциями и взаимодействующих через классические электромагнитные поля.Меняя такие параметры, как заряд и масса фермионов, авторы обнаружили, что проходимые кротовые норы могут существовать, когда отношение общего заряда к общей массе внутри нее превышает теоретический предел, применимый к черным дырам. Но червоточины, которые моделировали ученые, оказались микроскопическими, слишком маленькими, чтобы через них мог протиснуться человек.Американские физики Хуан Мальдасена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований в Нью-Джерси и Алексей Милехин (Alexey Milekhin) из Принстонского университета построили модель кротовой дыры, проходимой для человека.За основу они взяли не Стандартную модель физики, а модель Рэндалла-Сундрума, использующую аппарат теории струн и описывающую мир с точки зрения деформированного пятимерного пространства-времени. Это позволило ученым найти решения, в которых червоточины достаточно велики, чтобы человек мог пройти через них и выжить. По словам авторов, внешне они напоминают заряженные черные дыры промежуточной массы. Их большой размер обусловлен требованием, чтобы путешественник мог пережить приливные силы, так как он, проходя через центр червоточины, приобретает очень большое ускорение. Теоретически сквозь такую кротовую нору человек может совершить путешествие через галактику менее чем за секунду. Но для стороннего наблюдателя это время составит тысячи лет.Исследователи отмечают, что они не рассматривали вероятный механизм и условия образования подобных переходов, а только обосновали возможность их описания разрешенными уравнениями.

https://ria.ru/20210304/vselennaya-1599949041.html

https://ria.ru/20210204/magnony-1596017192.html

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

4.7

internet-group@rian. ru

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/153000/70/1530007014_0:25:828:646_1920x0_80_0_0_44348f90e7c1dc88ad6a3898710c94f2.jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

космос — риа наука, физика

Наука, Космос — РИА Наука, Физика

МОСКВА, 11 мар — РИА Новости. Ученые из Испании, Германии и Португалии создали теоретическую модель кротовой норы — предполагаемого туннеля в пространстве-времени, — не требующей для своего существования экзотического состояния вещества. А американские физики определили, какими параметрами должна обладать эта гипотетическая структура, чтобы через нее мог пройти человек. Результаты исследований опубликованы в журналах Physical Review Letters и Physical Review D.

Понятие кротовой норы, или червоточины (дословный перевод английского wormhole) ввел в физику американский ученый Джон Арчибальд Уилер. Традиционно ее представляют в виде отверстия, или трехмерной трубы, соединяющей между собой изогнутое двумерное пространство. Через такую трубу можно за секунды переместиться из одной части галактики в другую, путешествовать во времени или между параллельными вселенными.

Существование туннеля в пространстве-времени не противоречит общей теорией относительности, но, если бы он существовал, гравитационное притяжение вещества внутри него, по мнению ученых, заставило бы горловину в самом узком месте схлопнуться, препятствуя перемещению с одной стороны кротовой норы на другую.

Поэтому в качестве необходимого условия проходимости кротовой норы физики предполагают заполнение ее какой-то экзотической материей с отрицательной плотностью энергии, создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Под экзотической материей понимают любое гипотетическое вещество, которое нарушает одно или несколько классических условий либо не состоит из известных барионов.

Подобные вещества могут обладать такими качествами, как отрицательная плотность энергии, и отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Так как законы существования экзотической материи неизвестны, такие кротовые норы нельзя описать с помощью уравнений классической физики.

4 марта 2021, 16:47Наука

Физики допустили существование еще одной формы темной энергии

Исследователям под руководством Хосе Бласкес-Сальседо (Jose Blázquez-Salcedo) из Мадридского университета Комплутенсе впервые удалось описать проходимую кротовую нору без привлечения экзотических веществ, с помощью релятивистски инвариантных уравнений Эйнштейна-Дирака-Максвелла для точечных фермионов со спином ½, таких как электроны и позитроны. Материю в ней ученые рассматривают как набор общих фермионов, обладающих квантовыми волновыми функциями и взаимодействующих через классические электромагнитные поля.

Меняя такие параметры, как заряд и масса фермионов, авторы обнаружили, что проходимые кротовые норы могут существовать, когда отношение общего заряда к общей массе внутри нее превышает теоретический предел, применимый к черным дырам. Но червоточины, которые моделировали ученые, оказались микроскопическими, слишком маленькими, чтобы через них мог протиснуться человек.

Американские физики Хуан Мальдасена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований в Нью-Джерси и Алексей Милехин (Alexey Milekhin) из Принстонского университета построили модель кротовой дыры, проходимой для человека.

За основу они взяли не Стандартную модель физики, а модель Рэндалла-Сундрума, использующую аппарат теории струн и описывающую мир с точки зрения деформированного пятимерного пространства-времени. Это позволило ученым найти решения, в которых червоточины достаточно велики, чтобы человек мог пройти через них и выжить.

По словам авторов, внешне они напоминают заряженные черные дыры промежуточной массы. Их большой размер обусловлен требованием, чтобы путешественник мог пережить приливные силы, так как он, проходя через центр червоточины, приобретает очень большое ускорение. Теоретически сквозь такую кротовую нору человек может совершить путешествие через галактику менее чем за секунду. Но для стороннего наблюдателя это время составит тысячи лет.

Исследователи отмечают, что они не рассматривали вероятный механизм и условия образования подобных переходов, а только обосновали возможность их описания разрешенными уравнениями.

4 февраля 2021, 14:39Наука

Физики получили новое состояние материи

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 дальних 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

Теория червоточин впервые появилась в 1916, 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 Орегонского университета, 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 историй о путешествиях через червоточины . 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 Гетти)

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. Будет достаточно сложно 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 экзотической материи в червоточину может стабилизировать ее до такой степени, что пассажиры-люди смогут безопасно проходить через нее, все же существует вероятность того, что добавления «обычной» материи будет достаточно, чтобы дестабилизировать портал.

Современные технологии недостаточны для увеличения или стабилизации червоточин, 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 (открывается 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 (откроется в новой вкладке)

«Многоротовые проходные червоточины». Журнал физики высоких энергий (2020 г.) https://www.researchgate.net/publication/347125665_Multi-mouth_Traversable_Wormholes (открывается в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Нола Тейлор Тиллман — автор статей для Space.com. Она любит все, что связано с космосом и астрономией, и наслаждается возможностью узнать больше. Она имеет степень бакалавра английского языка и астрофизики в колледже Агнес Скотт и проходила стажировку в журнале Sky & Telescope. В свободное время она обучает своих четверых детей дома. Подпишитесь на нее в Твиттере @NolaTRedd

Что такое теория червоточин? | Космос

Червоточины — это гипотетические мосты через пространство-время.
(Изображение предоставлено Гетти)

Теория червоточин

Червоточины были впервые предложены 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.