Теория кротовых нор: Кротовая нора: что это и почему их до сих пор не нашли

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.

Гипотеза кротовой норы — онлайн справочник для студентов

  • Что такое кротовая нора?
  • Кротовая нора или машина времени?
  • Гипотезы моделей кротовых нор.
  • Эффекты кротовых нор.

Что такое кротовая нора?

Определение 1.
Кротовая нора представляет собой так называемые узкие мосты, которые образуется в пространстве огромные или бесконечные области существующего пространства. Как правило, они имеют связь с большими неточностями пространства и времени.

Возле самого наименьшего участка кротовой норы располагается область, которая получила название горловина. Она представляет собой двухмерную поверхность, площадь которой крайне мала. Она препятствует стягиванию пространства.

Горловина разделяет области, согласно функции r=e?(u). Она равна при любом значении u радиусу координатной сферы u=const, t=const, должна обладать регулярным минимумом r=rmin>0 при какой — то величине u и иметь значения r?rmin на удалении от этого минимума. Такое понятие поможет точнее определить область горловины устья, которое трудно рассчитать другим способом.

Еще одним важным условием существования кротовой нормы является отсутствие препятствий и горизонтов. То есть объект осуществляет проход без препятствий и с двух сторон. В пространственном отношении это означает, что gtt=e2?>0 для всего диапазона значений радиальной координаты.

Теория относительности не отрицает существование такого явления, как кротовые норы. Чтобы нора существовала необходимо ее наполнение материей. Материя должна содержать плотность с отрицательным показателем энергии. Это нужно для того, чтобы возникло сильное гравитационное отталкивание. Оно предотвращает стягивания кротовых нор и их исчезновение.

Когда Эйнштейн разработал теорию относительности, возник интерес к возможным результатам времени и пространства. Один из ученых физиков К. Шварцшильд предложил собственной первое описание черной дыры. В это время Л. Фламм обнаружил в описание черной дыры, которое сделал его коллега, некое напоминание моста, который будто то бы соединяет части разных миров. Были предложены варианты и другими учеными, но они не получили широкого распространения в мире науки, так как не были так подробно доказаны.

Кротовая нора или машина времени?

Во время исследования такого явления, как физическая кротовая норма, ученые пришли к выводу, что оно не однородно и имеет несколько направлений. Многие ученые не подвергали сомнению наличие кротовых норм, они уже приступили к построению вариантов, как можно их использовать и дальше изучать. Но есть и ряд теорий, которые основаны на первоначальном изучении такого явления, как кротовые норы.

В случае если кротовая нора выступает как соединительное звено нескольких частей, которые находятся в одном временном пространстве, то ее можно назвать стабильной. Однако, когда она выходит за пределы конкретного пространства, то время становится плоским, тогда в дело вступают принципы теории относительности. Тогда кротовая нора может выступать в качестве своеобразного пути между разными Галактиками. Она может ускорять время, а соответственно стать так называемой машины времени, которая может переместить предмет в будущее.

Ученые не выявили хода движения по кротовой норе. Нет точных данных, что произойдет, если человек или материальный объект попадает в эту нору, попадет ли он в то же самое место, только в будущем или нет, не установлено.

Если в кротовой норе действует макроскопические параметры, то от одного устья до другого можно осуществить перемещение за считанные секунды.

Если дать обозначения для устий, как один и два, то первое будет оставаться в покое. Во втором устье будут осуществляться перемещения, скорость которых сходна или приближена к скорости света. Если замедлить движение времени и сравнить движение в двух устьях, то в устье 2 пройдет времени меньше, чем в устье 1. Разница во времени зависит от скорости перемещения.

Замечание 1.
Статичная кротовая нора может выступать в качестве машины времени.

Гипотезы моделей кротовых нор.

Теория относительности имеет множество различных вариантов объяснения явления кротовых нор. Многие из них не заслужили всеобщего признания среди ученых. Специалисты сошлись во мнение, что самые достойные модели кротовых нор можно получить лишь в том случае, если добавить в привычную теорию фантомное поле. Кроме того, предлагается рассматривать квантовые явления.

Нельзя не упомянуть существование в науке теории пространственно-временной пены. Она предполагает масштабы Планка. Именно кротовые норы составляют пену.

Данную пену невозможно обнаружить на макроскопическом уровне. Но когда существование Вселенной только начиналось, то процесс образования кротовых норм был крайне высок, отсюда можно было вычислить большое содержание пены.

Многие исследователи выдвигают предположение о том, что именно кротовые нормы участвуют в образование Вселенной.

Одним из основных вопросов данной теории является вопрос об источнике тех самых кротовых норм. Есть еще одно предположение о том, что квантовая поляризация вакуума может поддерживать статичные кротовые норы любых размеров.

Эффекты кротовых нор.

Ученые долгое время занимались изучением эффекта кротовых нор. Проанализировав ряд работ, можно найти наиболее частые эффекты. Одним из них является эффект, который был обнаружен на окраинах Вселенной. Например, красные смещения или радикальная структура элементарных частиц, которые переносят заряд из-за действия на них силы магнитных полей. Кроме того, это особенности в строение орбиты тел, которые движутся максимально близко к устьям кротовых нор. Наконец, одним из самых важных эффектов является отклонение лучей света в непосредственной близости от кротовых нор. Оно отличается от того отклонения лучей, которое можно наблюдать в близи от черных дыр.

Это лишь самые распространенные эффекты, которые рассматривают в своих работах выдающиеся ученые физики. Кроме названных эффектов существует и ряд других, которые на данный момент исследуются и изучаются, чтобы потом так же быть представленными миру.

Таким образом, существование кротовых нор подвергается активному изучению. Физики используют различные методы, которые помогают определить точную величину, которую может иметь одна кротовая нора, а так же ее устье. Кроме того, выдвигаются гипотезы о наличие так называемой пены, которую образуют кротовые норы. Ученые еще не пришли к единому мнению о характере течения времени в кротовых норах. Многие считают, что оно замедляется или протекает без изменений. Но многие и предполагают, что кротовая нора может выполнять роль машины и времени. Это не может быть исключено, потому что то, с какой скоростью идет время в пределах кротовой норы точно неизвестно.

Микроскопические червоточины возможны теоретически

Кредит: общественное достояние CC0

Червоточины играют ключевую роль во многих научно-фантастических фильмах — часто в качестве кратчайшего пути между двумя удаленными точками в космосе. Однако в физике эти туннели в пространстве-времени остались чисто гипотетическими. Международная команда под руководством доктора Хосе Луиса Бласкеса-Сальседо из Ольденбургского университета представила в научном журнале Physical Review Letters новую теоретическую модель, которая делает микроскопические червоточины менее надуманным, чем в предыдущих теориях.

Червоточины, как и черные дыры, появляются в уравнениях общей теории относительности Альберта Эйнштейна, опубликованных в 1916 году. Важным постулатом теории Эйнштейна является то, что Вселенная имеет четыре измерения — три пространственных измерения и время как четвертое измерение. Вместе они образуют то, что известно как пространство-время, а пространство-время может растягиваться и искривляться массивными объектами, такими как звезды, подобно тому, как резиновый лист искривляется, когда в него погружается металлический шар.

Кривизна пространства-времени определяет способ движения в нем таких объектов, как космические корабли и планеты, а также свет. «Теоретически пространство-время можно искривлять и без массивных объектов», — говорит Бласкес-Сальседо, который с тех пор перешел в Мадридский университет Комплутенсе в Испании. В этом сценарии червоточина будет чрезвычайно искривленной областью пространства-времени, которая напоминает две взаимосвязанные воронки и соединяет две удаленные точки в пространстве, как туннель. «С математической точки зрения такой короткий путь был бы возможен, но настоящую червоточину еще никто не наблюдал», — объясняет физик.

Более того, такая червоточина будет нестабильной. Если бы, например, космический корабль столкнулся с одним из них, он мгновенно рухнул бы в черную дыру — объект, в котором материя исчезает, и его больше никогда не увидишь. Связь, которую он обеспечивал с другими местами во вселенной, будет прервана. Предыдущие модели предполагали, что единственный способ держать червоточину открытой — это использовать экзотическую форму материи, которая имеет отрицательную массу или, другими словами, весит меньше нуля и существует только в теории. Однако Бласкес-Сальседо и его коллеги доктор Кристиан Нолл из Ольденбургского университета и Ойген Раду из Университета Авейру в Португалии демонстрируют в своей модели, что через червоточины можно пройти и без такого вещества.

Исследователи выбрали сравнительно простой «полуклассический» подход. Они объединили элементы теории относительности с элементами квантовой теории и классической теории электродинамики. В своей модели они рассматривают определенные элементарные частицы, такие как электроны и их электрический заряд, как материю, которая должна пройти через червоточину. В качестве математического описания они выбрали уравнение Дирака, формулу, описывающую функцию плотности вероятности частицы согласно квантовой теории и теории относительности как так называемое поле Дирака.

Как сообщают физики в своем исследовании, именно включение в их модель поля Дирака допускает существование червоточины, проходимой веществом, при условии, что отношение между электрическим зарядом и массой червоточины превышает определенный предел . Помимо материи, сигналы — например, электромагнитные волны — также могут проходить через крошечные туннели в пространстве-времени. Микроскопические червоточины, предложенные командой, вероятно, не подходят для межзвездных путешествий. Более того, модель пришлось бы дополнительно уточнять, чтобы выяснить, могут ли на самом деле существовать такие необычные структуры. «Мы думаем, что червоточины могут существовать и в полной модели», — говорит Бласкес-Сальседо.

Дополнительная информация:
Хосе Луис Бласкес-Сальседо и др., Проходимые червоточины в теории Эйнштейна-Дирака-Максвелла, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.101102

Предоставлено
Ольденбургский университет

Цитата :
Теоретически возможны микроскопические червоточины (9 марта 2021 г. )
получено 20 декабря 2022 г.
с https://phys.org/news/2021-03-microscopic-wormholes-theory.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Существуют ли червоточины? |

  • Червоточины, безопасные для человека, могут существовать
  • В двух отдельных исследованиях, опубликованных в Physical Review Letters D , предлагаются новые теории создания проходимой червоточины.
  • Червоточины, также известные как мосты Эйнштейна-Розена, обычно используются в научно-фантастических рассказах как способ быстро перемещаться между отдаленными частями вселенной.

Писатели-фантасты давно полагаются на червоточину как на важный сюжетный ход. Это быстрый способ доставить персонажей из точки А в точку Б на огромные расстояния в пространстве-времени за считанные секунды. Но реальны ли червоточины?

Такие теоретики, как Альберт Эйнштейн и Кип Торн, десятилетиями размышляли над существованием этих пространственно-временных порталов, но до недавнего времени никто не мог представить физических доказательств их существования.

Два исследования за март 2021 года, опубликованные в журналах Physical Review Letters и Physical Review D , предполагают, что червоточины, достаточно безопасные для людей, могут существовать в реальном мире. В третьем исследовании, опубликованном на сервере препринтов arXiv в сентябре 2021 года, рассматривается использование несколько иной концепции гравитации для обеспечения безопасного прохождения через червоточину.

Один из основных аргументов против существования червоточин предполагает, что самая узкая часть портала, или горловина, скорее всего, рухнет под тяжестью собственной гравитации. Некоторые теоретики говорят, что одним из способов обойти эту проблему и предотвратить гравитационный коллапс было бы заполнить червоточину экзотической формой материи с отрицательной массой. Но это решение не космологическая серебряная пуля — такая форма материи чисто теоретическая.

Больше странной науки ⬇️
  • Кто-нибудь там? Объяснение парадокса Ферми
  • Что происходит, когда умирают черные дыры?
  • Квантовая физика наконец-то может объяснить сознание не нужна экзотическая материя, чтобы поддерживать червоточину открытой.

    Вместо этого теоретические модели исследователей, которые рассматривают возможность существования микроскопических червоточин, основаны на трех теориях, позволяющих использовать силу элементарных частиц: теории относительности, квантовой теории и электродинамике.

    Эти ученые предполагают, что изменение массы и заряда фермионов — фундаментальных строительных блоков материи — могло бы сохранить космический путь открытым. Это будет работать только в том случае, если отношение общего заряда фермионов к общей массе всего внутри червоточины больше практического предела, установленного черными дырами.

    Теперь есть загвоздка: Блазкес-Сальседо и его команда говорят о микроскопических червоточинах. Они не точно , которые могут пройти люди, но это, безусловно, один маленький шаг в новом теоретическом направлении.

    Однако во второй статье, подготовленной Хуаном Малдасеной из Института перспективных исследований в Нью-Джерси и Алексеем Милехиным из Принстонского университета, исследуется теоретическое существование червоточин, достаточно больших, чтобы люди, путешествующие по пространству-времени, могли протиснуться сквозь них.

    Сделай сам
    • Как построить червоточину

    В данном случае Малдасена и Милехин разработали червоточину, которая формируется в пятимерном пространстве-времени, также известную как модель Рэндалла-Сандрума. По словам авторов, эти червоточины для неподготовленного наблюдателя будут выглядеть как черные дыры промежуточной массы.

    Если бы вы прыгнули в червоточину такого типа, вы бы испытали ускорение до 20G — неудобную, хотя и выживаемую величину. Но авторы признают некоторые практические ограничения этой теории. Например, червоточина должна быть очень чистой, т. е. свободной от блуждающих частиц:

    Если частицы, попадающие в червоточину, рассеиваются и теряют энергию, то они накапливаются внутри, внося некоторую положительную энергию, которая в конечном итоге заставит червоточину схлопнуться обратно в черную дыру.

    Последнее место, куда хочет попасть любой путешествующий в космосе, это центр черной дыры. Исследователи пишут, что червоточина также должна быть очень холодной. И еще есть небольшая проблема, связанная с созданием червоточины. Малдасена и Милехин все еще работают над тем, чтобы понять, как его сформировать.

    Нужна отрицательная энергия или отрицательная масса (другими словами, экзотическая материя) для создания вашей червоточины — слишком большая проблема. Вместо этого вам нужно изменить свое понимание гравитации, считает Жоао Луис Роса, физик из Тартуского университета в Эстонии. В его статье о сервере препринтов arXiv обсуждается использование модели под названием «обобщенная гибридная метрика-гравитация Палатини». Эта концепция основана на общей теории относительности, но отношения между материей и энергией, пространством и временем немного отличаются от тех, которые предсказывает общая теория относительности. Таким образом, вы сможете построить стабильную червоточину, покрыв вход двойной тонкой оболочкой из обычной материи — никакой экзотической материи не потребуется.

    После всех этих рассуждений о фактах и ​​вымыслах, какие есть хорошие новости? Теоретически ваше путешествие через галактику займет меньше секунды. Но если ваша семья и друзья отслеживают ваше путешествие из-за пределов червоточины, они будут ждать его окончания долгих раз. С их точки зрения, ваше путешествие продлится десятки тысяч лет.

    Похоже, тебе придется самому найти дорогу домой.

    Исправление от 12 марта 2021 г.