Астрофизики всерьёз ищут в космосе «кротовые норы. Кротовые норы в космосе. Астрономические гипотезы Кротовая нора в космосе

Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] Петров Александр Николаевич

Кротовые норы

Кротовые норы

Крот недавно прорыл под землей новую длинную галерею от своего жилья к дверям полевой мыши и позволил мыши и девочке гулять по этой галерее сколько угодно.

Ганс Христиан Андерсен «Дюймовочка»

Идея кротовых нор принадлежит Альберту Эйнштейну и Натану Розену (1909–1995). В 1935 году они показали, что ОТО допускает, так называемые, «мосты» – проходы в пространстве, через которые можно, казалось бы, значительно быстрее, чем обычным путем попасть из одной части пространства в другую, или из одной вселенной в другую. Но «мост» Эйнштейна – Розена – динамичный объект, после проникновения в него наблюдателя выходы сжимаются.

А нельзя ли преотвратить сжатие? Оказывается, можно. Для этого необходимо пространство «моста» заполнить особым веществом, препятствующим сжатию. Такие «мосты» называют кротовыми норами, в англоязычном варианте – wormholes (червоточины).

Особое вещество кротовой норы и обычное отличаются тем, что по разному «продавливают» пространство-время. В случае обычной материи его кривизна (положительная), напоминает часть поверхности сферы, а в случае особой материи кривизна (отрицательная) соответствует форме поверхности седла. На рис. 8.6 схематически представлены 2-мерные пространства отрицательной, нулевой (плоские) и положительной кривизны. Поэтому для деформации пространства-времени, которая не позволит кротовой норе сжаться, необходима экзотическая материя, которая создает отталкивание. Классические (не квантовые) законы физики исключают такие состояния материи, а вот квантовые законы, более гибкие, допускают. Экзотическая материя препятствует формированию горизонта событий. А отсутствие горизонта означает, что можно не только попасть в кротовую нору, но и вернуться. Отсутствие горизонта событий также приводит к тому, что путешественник, любитель кротовых нор, всегда доступен телескопам внешних наблюдателей, с ним можно поддерживать радиосвязь.

Рис. 8.6. Двумерные поверхности разной кривизны

Если мы представляем, как образуются черные дыры, то как создаются «кротовые норы» в современную эпоху и создаются ли вообще, совершенно неясно. А с другой стороны, сейчас есть почти общепринятое мнение, что на ранней стадии развития Вселенной кротовых нор было очень много. Предполагается, что перед началом Большого взрыва (о котором мы будем говорить в следующей главе), перед расширением Вселенная представляла собой пространственно-временную пену с очень большими флуктуациями кривизны, перемешанную со скалярным полем. Ячейки пены между собой соединялись. А после Большого взрыва эти ячейки могли остаться соединенными, что и может быть кротовыми норами в нашу эпоху. Этого типа модели обсуждались в публикациях Уилера в середине 1950-х годов.

Рис. 8.7, Кротовая нора в замкнутй вселенной

Итак, имеется принципиальная возможность войти в кротовую нору и выйти наружу в другой точке Вселенной или в другой вселенной (рис. 8.7). Если с помощью достаточно мощного телескопа заглянуть через горловину внутрь кротовой норы, можно увидеть свет далекого прошлого и узнать о событиях, которые случились несколько миллиардов лет назад. Действительно, сигнал из места наблюдения мог долго блуждать по Вселенной, чтобы с обратной стороны войти в кротовую нору и выйти в месте наблюдения. А если кротовые норы на самом деле возникли одновременно с рождением Вселенной, то в таком тоннеле можно увидеть самое далекое прошлое.

Именно с позиций путешествий во времени два известных ученых, признанных специалиста в исследовании черных дыр, Кип Торн из Калифорнийского технологического института и Игорь Новиков из Астрокосмического центра ФИАН в начале 1980-х годов опубликовали серию работ, защищающих принципиальную возможность создания машины времени.

Однако, если вспомнить фантастические романы на эту тему, то в каждом утверждается, что путешествие во времени, скорее всего, будет разрушительным. В серьезной теории оказывается, что никакие разрушительные действия с помощью машины времени Торна и Новикова невозможны. Причинно-следственные связи не нарушаются, все события происходят так, что изменить их нельзя – обязательно возникнет помеха, которая помешает путешественнику во времени убить «бабочку Брэдбери».

Вход в кротовую нору может быть самых разных размеров, нет никаких ограничений – от космических масштабов до размеров, буквально, песчинок. Поскольку кротовая нора – это некий родственник черной дыры, то не стоит в ее строении искать дополнительных измерений. Если это ход куда-то, то на языке геометрии – это сложная топология. Зададим вопрос. Как обнаружить кротовую нору? Снова вспомним, что это родственник черной дыры, тогда вблизи пространство-время должно быть сильно искривлено. Проявления (наблюдаемые и ненаблюдаемые) такого искривления были рассмотрены выше. Однако возможны модели кротовых нор, для которых нет окрестного искривления. Приближаясь к такой «норе», наблюдатель ничего не будет испытывать, зато наткнувшись на нее, упадет как с обрыва. Но такие модели наименее предпочтительны, возникают различные противоречия и натяжки.

Недавно группа наших ученых – Николай Кардашев, Игорь Новиков и Александр Шацкий – пришла к выводу, что свойства экзотической материи, поддерживающей кротовую нору, очень похожи на свойства магнитного или электрического полей. В результате исследований выяснилось, что вход в туннель будет очень похож на магнитный монополь, то есть магнит с одним полюсом. В случае кротовых нор реального монополя-то и нет: у одной горловины кротовой норы магнитное поле одного знака, а у другой – другого, только вторая горловина может быть в другой вселенной. Так или иначе, но магнитных монополей в космосе не обнаружено до сих пор, хотя их поиск ведется непрерывно. Но ищут фактически элементарные частицы с таким свойством. В случае кротовых нор нужно искать магнитные монополи большого размера.

Одной из задач недавно выведенной на орбиту международной обсерватории «РадиоАстрон» как раз является поиск таких монополей. Вот что говорит в одном из своих интервью руководитель проекта Николай Кардашев:

«С помощью этих обсерваторий мы заглянем внутрь черных дыр и проверим, не являются ли они кротовыми норами. Если окажется, что мы увидим лишь пролетающие мимо облака газа и будем наблюдать различные эффекты, связанные с гравитацией черной дыры, искривление траектории света, например, то это будет черная дыра. Если же мы увидим радиоволны, идущие изнут ри, то будет понятно, что это не черная дыра, а кротовая нора. Построим картинку магнитного поля по эффекту Фарадея. Пока для этого не хватало разрешения наземных телескопов. И если окажется, что магнитное поле соответствует монополю, то это почти наверняка «кротовая нора». Но сначала нужно увидеть.

…Сначала предполагаем исследовать сверхмассивные черные дыры в центрах нашей и ближайших галактик. Для нашей – это очень компактный объект с массой в 3 млн солнечных масс. Мы считаем, что это черная дыра, но она может оказаться и «кротовой норой». Есть объекты еще более грандиозные. В частности, в центре самой близкой к нам из массивных галактик М 87 в созвездии Девы есть черная дыра с массой в 3 млрд солнц. Эти объекты – одни из самых главных для исследования «РадиоАстроном». Но не только они. Есть, например, некоторые пульсары, которые могут оказаться двумя входами в одну и ту же «кротовую нору». И третий тип объектов – всплески гамма-излучения, на их месте возникает также кратковременное оптическое и радиосвечение. Мы их наблюдаем время от времени даже на очень больших расстояниях – как для самых далеких видимых галактик. Они очень мощные, и мы пока не вполне понимаем, что это такое. В общем, сейчас подготовлен каталог из тысячи объектов для наблюдения».

Астрофизики уверены: в космосе есть туннели, через которые можно переместиться в другие Вселенные и даже в другое время. Предположительно, они образовались, когда Вселенная только зарождалась. Когда, как говорят ученые, пространство «кипело» и искривлялось.

Этим космическим «машинам времени» дали название «кротовых нор». От черной дыры «нора» отличается тем, что туда можно не только попасть, но и вернуться обратно. Машина времени существует. И это уже не заявление фантастов — четыре математических формулы, которые пока в теории доказывают — перемещаться можно как в будущее, так и в прошлое.

И компьютерная модель. Примерно так должна выглядеть «машина времени» в космосе: два отверстия в пространстве и времени, соединенные коридором.

«В данном случае речь идет об очень необычных объектах, которые были открыты в теории Эйнштейна. Согласно этой теории, в очень сильном поле происходит искривление пространства, и время то скручивается, то замедляется, вот такие фантастические свойства», — поясняет заместитель директора Астрокосмического центра ФИАН Игорь Новиков.

Такие необычные объекты ученые назвали «кротовые норы». Это вовсе не человеческое изобретение, создать машину времени пока способна только природа. Сегодня астрофизики лишь гипотетически доказали существование «кротовых нор» во Вселенной. Дело за практикой.

Поиск «кротовых нор» — одна из главных задач современной астрономии. «О черных дырах начали говорить где-то в конце 60-х годов, и когда они делали эти доклады, это казалось фантастикой. Всем казалось, это абсолютная фантастика — сейчас это у всех на устах, — рассказывает директор Астрономического института МГУ имени Штернберга Анатолий Черепащук. — Так и сейчас «кротовые норы» тоже фантастика, тем не менее теория предсказывает, что «кротовые норы» существуют. Я оптимист и думаю, что «кротовые норы» тоже когда-нибудь будут открыты».

«Кротовые норы» принадлежат к такому загадочному явлению как «темная энергия», из которой состоит 70 процентов Вселенной. «Сейчас открыта темная энергия — это вакуум, который обладает отрицательным давлением. И в принципе «кротовые норы» могли формироваться из состояния вакуума», — предполагает Анатолий Черепащук. Одно из мест обитания «кротовых нор» — центры галактик. Но здесь главное не перепутать их с черными дырами, огромными объектами, которые также находятся в центре галактик.

Масса их — миллиарды наших Солнц. При этом черные дыры обладают мощнейшей силой притяжения. Она настолько велика, что даже свет не может вырваться оттуда, поэтому разглядеть в обычный телескоп их невозможно. Сила притяжения «кротовых нор» также огромна, однако если заглянуть вовнутрь «кротовой норы», можно увидеть свет прошлого.

«В центре галактик, в их ядрах, есть очень компактные объекты, это черные дыры, однако предполагается, что некоторые из этих черных дыр вовсе не черные дыры, а входы в эти «кротовые норы», — рассказывает Игорь Новиков. Сегодня открыто более трехсот черных дыр.

От Земли до центра нашей галактики Млечный путь 25 тысяч световых лет. Если окажется, что эта черная дыра — «кротовая нора», коридор для путешествия во времени, человечеству до него лететь и лететь.

Кротовая нора или червоточина — это гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой “туннель” в пространстве в каждый момент времени (пространственно-временной туннель). Тем самым кротовая нора позволяет перемещаться в пространстве и времени. Области, которые связывает кротовая нора, могут представлять собой области единого пространства или быть полностью разъединенными. Во втором случае кротовая нора является единственным связующим звеном двух областей. Первый вид кротовых нор часто называют “внутримировыми”, а второй вид “межмировыми“.

Как известно Общая теория относительности запрещает перемещение во Вселенной со скоростью превышающей скорость света. С другой стороны ОТО допускает существование пространственно-временных туннелей, но при этом необходимо, чтобы туннель был заполнен экзотической материей с отрицательной плотностью энергии, создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию туннеля.

К подобным частицам экзотической материи чаще всего относят тахионы. Тахионы – это гипотетические частицы, которые движутся быстрее скорости света. Для того чтобы такие частицы не нарушали ОТО предполагается, что масса тахионов является отрицательной.

В настоящее время нет достоверных экспериментальных подтверждений существования тахионов в лабораторных экспериментах или астрономических наблюдениях. Физики могут похвастаться лишь “псевдоотрицательной“ массой электронов и атомов, которые получают при высокой плотности электрических полей, особой поляризации лазерных лучей или сверхнизких температурах. В последнем случае эксперименты проводились с конденсатом Бозе – Эйнштейна, агрегатным состоянием вещества, основу которого составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли кельвина). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях, и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. За получение конденсата Бозе-Эйншейна в 2001 году была вручена Нобелевская премия по физике.

Впрочем, ряд специалистов предполагают, что тахионами могут являться . Эти элементарные частицы обладают ненулевой массой, что было доказано с помощью обнаружения нейтринных осцилляций. Последнее открытие даже удостоилось Нобелевской премии по физике за 2015 год. С другой стороны точное значение массы нейтрино до сих пор определить не удалось. Ряд экспериментов по измерению скорости нейтрино показали, что их скорость может незначительно превышать скорость света. Эти данные постоянно подвергаются сомнению, но в 2014 году вышла новая работа по этому поводу.

Теория струн

Параллельно некоторые теоретики предполагают, что в ранней Вселенной могли сформироваться особые образования (космические струны) с отрицательной массой. Длина реликтовых космических струн может достигать как минимум несколько десятков парсек при толщине меньше диаметра атома при средней плотности 10 22 грамм на см 3 . Существует несколько работ о том, что подобные образования наблюдались в событиях гравитационного линзирования света далеких квазаров. В целом же в настоящее время является наиболее вероятным кандидатом на “теорию всего“ или единую теорию поля, которая объединяет теорию относительности и квантовую теорию поля. Согласно ей все элементарные частицы представляют собой колеблющиеся нити энергии длиной около 10 -33 метра, что сравнимо с (минимальным возможным размером объекта во Вселенной).

Теория единого поля предполагает, что в пространственно-временных измерениях существуют ячейки с минимальной длиной и временем. Минимальная длина должна быть равна планковской длине (примерно 1,6·10 −35 метров).

В то же время наблюдения удаленных гамма-всплесков говорят о том, что если зернистость пространства существует, то размер этих зерен не больше 10 −48 метров. Кроме того не смог подтвердить некоторые следствия теории струн, что стало серьезным аргументом ошибочности этой фундаментальной теории современной физики.

Потенциально большим значением на пути к созданию единой теории поля и пространственно-временных туннелей является обнаружение в 2014 году теоретической связи между квантовой запутанностью и кротовыми норами. В новой теоретической работе было показано, что создание пространственно-временного туннеля возможно не только между двумя массивными черными дырами, но и между двумя квантово запутанными кварками.

Квантовая запутанность – это явление в квантовой механике, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий. Измерение параметра одной частицы приводит к мгновенному (выше скорости света) прекращению запутанного состояния другой, что находится в логическом противоречии с принципом локальности (при этом теория относительности не нарушается и информация не передаётся).

Кристан Дженсен из университета Виктории (Канада) и Андреас Карч из университета Вашингтона (США), описали квантово запутанную пару, состоящую из кварка и антикварка, которые мчатся прочь друг от друга с околосветовыми скоростями, что делает невозможной передачу сигналов от одного к другому. Исследователи полагают, что трехмерное пространство, в котором движутся кварки — это гипотетическая грань четырехмерного мира. В 3D-пространстве квантово запутанные частицы соединены своего рода «струной». А в 4D-пространстве эта «струна» становится кротовой норой.

Джулиан Соннер из Массачусетского технологического института (США) представил квантово-запутанную пару кварк-антикварк, рождающуюся в сильном электрическом поле, которое разлучает противоположно заряженные частицы, заставляя их ускоренно двигаться в разных направлениях. Соннер также пришел к выводу, что частицы, квантово запутанные в трехмерном пространстве, будут соединены кротовой норой в четырехмерном пространстве. При расчетах физики использовали так называемый голографический принцип — концепцию, согласно которой вся физика n-мерного мира в полной мере отражается на его «гранях» с количеством измерений (n-1). При таком “проецировании“квантовая теория, учитывающая эффекты гравитации в четырехмерном пространстве, эквивалентна квантовой теории «без гравитации» в трехмерном. Другими словами, черные дыры в 4D-пространстве и кротовая нора между ними математически эквивалентны их трехмерной голографической проекции.

Перспективы гравитационно-волновой и нейтринной астрономии

Наибольшими перспективами в изучении свойств материи на самом микроскопическом и высокоэнергетическом уровне для лучшего понимания квантовой гравитации обладает гравитационно-волновая и нейтринная астрономия за счет того что она изучает волны и частицы с наибольшей проникающей способностью. Так если микроволновое реликтовое излучение Вселенной образовалось через 380 тысяч лет после , то реликтовые нейтрино в первые несколько секунд, а реликтовые гравитационные волны всего через 10 -32 секунд! Кроме того большими перспективами обладают регистрации подобных излучений и частиц с черных дыр или у катастрофических событий (слияния и , коллапсов массивных звезд).

С другой стороны активно развиваются традиционные астрометрические обсерватории, которые сейчас охватывают весь электромагнитный спектр. Подобные обсерватории могут обнаружить неожиданные объекты или явления в ранней Вселенной (первые межзвездные облака, и ), в случаях или во время наблюдений экстремальных объектов (черных дыр и нейтронных звезд). Астрономия продолжает являться наиболее эффективным направлением современной физики, так как способна изучать материю в экстремальных условиях, которые не доступны в земных лабораториях и ускорителях. В частности, существующие астрономические наблюдения в электромагнитном диапазоне привели к открытию загадочной темной материи и энергии, которые на данный момент не способна описать Стандартная модель (современная физическая теория, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех известных элементарных частиц). Другими примерами важности астрономических наблюдений в истории физики являются открытия аномального движения , астрометрического смещения света звезд рядом с диском , а так же двойных нейтронных звезд. Эти открытия стали мотивом для создания и проверки теории относительности, а так же позволили предсказать существование .

Пространственно-временные туннели или кротовые норы являются в научной фантастике самым популярным способом перемещения к другим звездам. Можно назвать наиболее популярные фильмы на эту тему: “Интерстеллар” (2014), “Контакт” (1997), “Сквозь горизонт” (1997), франшиза “Звездные войны” (1977-2017 годы). Первым начал широко использовать термины “черная дыра” и “кротовая дыра” американский физик Джон Уилер (1911-2008 годы). Советско-российский радиоастроном Николай Кардашев первым выдвинул идею, что черные дыры в центрах галактик являются входами в кротовые норы.

Червоточина это теоретический проход через пространство-время, который может значительно сокращать дальние путешествия по всей вселенной за счет создания кратчайших путей между пунктами назначения. Существование червоточин предсказывается теорией относительности. Но вместе с удобством они могут нести и чрезвычайные опасности: опасность внезапного коллапса, высокая радиация и опасные контакты с экзотической материей.

Теория червоточин, или «кротовые норы»

В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен с помощью теории относительности предположили существование «мостов» в пространстве-времени. Эти пути, названные мостами Эйнштейна-Розена или червоточинами («кротовыми норами»), соединяют две различные точки в пространстве-времени, теоретически создавая кратчайшие коридоры, которые сокращают расстояние и время в пути.

Червоточины имеют как бы два устья, соединенные общей горловиной. Устья, скорее всего, имеют шаровидную форму. Горловина может быть прямым участком, но она может также закручиваться, становясь тем длиннее, чем длиннее обычный маршрут.

Общая теория относительности Эйнштейна математически предсказывает существование «кротовых нор» (червоточин), но ни одна не была обнаружена до настоящего времени. Червоточина с отрицательной массой может быть выслежена благодаря действию ее гравитации на свет, проходящий мимо.

Некоторые решения общей теории относительности допускают существование «кротовых нор», каждый вход (устье) которых является черной дырой. Однако, естественные черные дыры, образованные в результате коллапса умирающей звезды, сами по себе не создают червоточину.

Через червоточину

Научная фантастика кишит историями о путешествиях через «кротовые норы». Но в реальности такие путешествия являются куда более сложным, и не только потому, что мы должны все же для начала обнаружить такую червоточину.

Первая проблема заключается в размере. Реликтовые червоточины, предположительно, существуют на микроскопическом уровне, около 10 -33 сантиметров в диаметре. Тем не менее, по мере расширения Вселенной, вполне возможно, что некоторые из них разрослись до больших размеров.

Другая проблема возникает из-за стабильности. Точнее, из-за ее отсутствия. Предсказанные Эйнштейном-Розеном червоточины были бы бесполезны для путешествия, потому что они разрушаются слишком быстро. Но более поздние исследования показали, что червоточины, содержащие «экзотическую материю», могут оставаться открытыми и неизменными в течение более длительного времени.

Экзотическая материя, которую не следует путать с темной материей или антивеществом, обладает отрицательной плотностью и огромным отрицательным давлением. Такую материю можно обнаружить только в поведении некоторых вакуумных состояний в рамках квантовой теории поля.

Если червоточины содержат достаточное количество экзотической материи, будь то в природе или добавленную искусственно, то теоретически они могут быть использованы в качестве способа передачи информации или коридора через пространство.

Червоточины могут не только соединять два различных конца одной вселенной, они могли бы также соединить две разные вселенные. Так же, некоторые ученые предположили, что, если один вход «кротовой норы» перемещается определенным образом, он мог бы быть полезен для путешествия во времени . Тем не менее, их оппоненты, как например британский космолог Стивен Хоккинг, утверждают, что такое использование не представляется возможным.

Хотя добавление экзотической материи в червоточину может стабилизировать ее до такой степени, что человеческие особи смогут безопасно путешествовать через нее, есть еще возможность того, что добавления «обычной» материи будет достаточно, чтобы дестабилизировать портал.

Современных технологий недостаточно, чтобы увеличить или стабилизировать червоточины, даже если они будут в ближайшее время найдены. Тем не менее, ученые продолжают исследовать это понятие как метод космических путешествий с надеждой, что технология со временем появится, и в конечном итоге они смогут использовать «кротовые норы».

По материалам сайта Space.com

1. Путешествие во времени с помощью червоточин Концепция машины времени, которая используется во многих научно-фантастических произведениях, обычно вызывает в воображении образы неправдоподобного устройства. Но согласно общей теории...
2. Можем ли мы быть уверены, что путешественники во времени не изменят наше прошлое? Обычно, мы принимаем как очевидность то, что наше прошлое – факт состоявшийся и неизменный. История такова, какой мы ее помним....