Кротовые дыры в космосе что это
Нырнул и исчез: что такое кротовые норы и почему их до сих пор не нашли
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.
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.
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:
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.
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.
Ряд ученых считает, что кротовые норы способны соединять не только точки в нашей вселенной, но и стать «коридорами» во вселенные параллельные.
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.
До встречи через 10 тысяч лет. Астрофизики раскрыли секрет кротовых нор
До сих пор возможные с точки зрения науки червоточины считали либо слишком маленькими, либо слишком ненадёжными. Теперь есть вариант стабильного тоннеля, в котором поместится космический корабль.
Однажды в 141-м веке журналист на Ганимеде вышел на прямую связь со своим шефом с Марса и предложил написать статью на очень интересную тему: учёные якобы доказали, что Земля когда-то была обитаемой. Что на ней были океаны. Что многочисленные каналы, которыми испещрена поверхность, — это русла рек. «Нет, — отрезал шеф, — это уже избито». И тогда репортёр достал из-за пазухи запасной вариант: в двойной звёздной системе созвездия Стрельца разглядели странный объект в виде сферы — по версии некоторых исследователей, искусственного происхождения. Более того, они не исключают, что это сфера Дайсона, построенная потомками тех самых людей, которые провалились в кротовую нору 12 тысяч лет назад. Построенная не столько для того, чтобы эффективно собирать тусклый свет красного карлика, сколько в надежде, что их всё-таки заметят астрономы далёкой Солнечной системы в 10 тысячах световых лет.
Как вам сюжет? Примерно такую картину рождают в воображении результаты недавнего исследования учёных из Принстона (США). Астрофизики Хуан Малдасена и Алексей Милехин доказали возможность создания в космосе кротовой норы (она же червоточина) довольно приличных размеров, достаточных для космического корабля. И дверь в этот тоннель, как вы наверняка подозреваете, не что иное, как чёрная дыра. По расчётам учёных, в неё можно пролететь, и это будет фантастическим путешествием не только в пространстве, но и во времени: в одно мгновение экипаж звездолёта переместится, к примеру, в туманность Ориона, но по нашим земным меркам это путешествие продлится тысячи лет.
Итак, чёрная дыра. Во многих случаях это финал жизненного пути довольно большой звезды. Она должна быть раз в тридцать массивнее нашего солнышка. Когда в таких мощных ядерных реакторах заканчивается топливо, они ярко вспыхивают — сбрасывают с себя «шубу», которую носили миллионы и миллионы лет. Она разлетается по космическому пространству, и это очень красиво. А посреди всего этого остаётся плотное оголённое ядро, для которого существует два варианта — в зависимости от массы: превратиться в нейтронную звезду либо в чёрную дыру.
К примеру, вы, наверное, слышали, что все добропорядочные граждане ежевечерне с волнением взирают на одну определённую звезду в созвездии Ориона — на ту, которая вверху слева. Бетельгейзе. Она раздулась неимоверно, на языке астрофизики это называется красный сверхгигант. А это верный признак надвигающегося торжественного события. Так вот, её сердцевина, по мнению учёных, вряд ли схлопнется в чёрную дыру — 17 масс Солнца для этого маловато. Она, скорее всего, станет пульсаром, нейтронной звездой, которая будет испускать свои повторяющиеся радиосигналы, которые мы после их открытия с непривычки едва не приняли за послания от инопланетян.
А вот, к примеру, где-нибудь в Чили на ночном небе можно найти созвездие Золотой Рыбы. Где-то среди его звёзд есть Большое Магелланово облако, а в нём прячется звезда раз в триста тяжелее Солнца. Вот это да. Подходит для будущей чёрной дыры. Хорошо, что она находится в 165 тысячах световых лет от нас. Но многие уже существующие чёрные дыры учёные находят гораздо ближе. А в центре нашей собственной галактики Млечный Путь (26 тысяч световых лет отсюда) находится сверхмассивная чёрная дыра — четыре миллиона масс Солнца. Это не братская звёздная могила. Есть несколько версий: либо изначально схлопнулась одна пожилая звезда и стала поглощать всё, что вокруг (а в галактическом центре плотность населения крайне высокая), либо звёзды и газовые облака в такой толкотне просто слиплись и под давлением собственной массы сколлапсировали.
Мы не знаем, что там внутри. Поэтому «поверхность» чёрной дыры и называют горизонтом событий. Зато благодаря Эйнштейну мы знаем, что любая масса во Вселенной как бы скручивает ткань пространства-времени. И наша планета тоже его скручивает. И Марс. И Солнце. Что тяжелее, то и скручивает сильнее.
А если у чёрной дыры такая масса, что её притяжение даже свет не выпускает, логично допустить, что и искривление пространства-времени там соответствующее. Отсюда и предположение, что это вход в тоннель, который мигом приведёт не только куда-нибудь в туманность Тарантула, но и ещё подальше. Вообще в другую Вселенную, например.
Дыра в Стрельце. Учёные решили заглянуть в кротовую нору
Но есть одна проблема. Туда попасть просто так не получится. Во-первых, лучше даже не приближаться, потому что гравитация, мягко говоря, мало что от нас оставит. Во-вторых, даже если бы и удалось каким-то образом добраться до самого горизонта событий, таинственный портал немедленно закроется перед нашим носом. Чтобы всего этого не случилось, нужно нечто противоположное гравитации и вообще всему, чему мы должны были учиться в школе. А именно антигравитация. Сила, которая отталкивает. Таким свойством должно обладать вещество, которого никто не видел и существования которого никто пока не доказал.
Оно называется экзотической материей. У неё всё наоборот. Например, кусок такой материи может весить минус три килограмма. А два куска по минус три килограмма не притягиваются друг к другу, а улетают друг от друга. И давление у неё тоже отрицательное. Между прочим, последнее действительно существует: лет 90 назад физик Хендрик Казимир зафиксировал это явление в своей лаборатории, теперь его называют эффектом Казимира.
Так вот, если бы это отрицательное экзотическое вещество окружило вход в кротовую нору, этот вход не закрывался бы. Конечно, пришлось бы как-то преодолевать чудовищные приливные силы, но с этим уж как-нибудь справимся, раз смогли решить такую невероятную задачу.
Настоящий «Звёздный путь». Варп-двигатель «Энтерпрайза» с точки зрения физики
Вопрос: где же её взять, такую материю? Так вот, вышеназванные Хуан Малдасена и Алексей Милехин полагают, что, в принципе, её свойств можно было бы добиться от частичек, которые называются безмассовыми фермионами. То есть они действительно вообще ничего не весят. Совсем. Как фотоны. И благодаря своей невыразимой лёгкости летают со скоростью света. Между прочим, такие фермионы долгое время тоже считали лишь теоретически возможными, а вот, представьте себе, в 2015 году их нашли.
Теперь вот ещё что. Надо сказать, что авторы этой научной работы придерживаются той версии, что измерений на самом деле пять. То есть сейчас мы с вами понимаем наличие, грубо говоря, длины, ширины, высоты и времени. Но это ещё не всё. Есть, согласно этой теории, ещё одно измерение, и через него-то и ведёт кротовая нора. А что, вполне имеет право на существование, потому что чем ещё объяснить сверхспособности квантовых частиц в вакууме — почему они внезапно исчезают куда-то, внезапно появляются откуда-то? Куда, откуда? А как они сквозь препятствия проходят? Не иначе как сквозь пятое измерение ныряют и выныривают.
Так вот, Малдасена и Милехин рассчитали, что через чёрную дыру так же нырять и благополучно выныривать могут вышеназванные ничего не весящие фермионы.
Не так давно выяснилось, что у чёрных дыр имеются магнитные поля. По крайней мере, вещества вокруг вращающихся светящихся дисков точно есть. И, по расчётам астрофизиков, линии магнитного поля чёрной дыры идут следующим образом: заходят прямо туда, внутрь, то есть в чёрную дыру, и выходят «с другой стороны», то есть из дыры в другой части Вселенной! Более того, эти линии затем преспокойно возвращаются к месту «старта», то есть получается замкнутый круг.
Очень удобно, особенно если запустить к чёрной дыре те удивительные фермионы: они будут двигаться вдоль этих линий магнитного поля, по кругу, в вечной карусели. Правда, получается, что их возвращения «оттуда» будем ждать, как ждут обещанного: всё-таки даже свету нужно какое-то время, чтобы долететь из точки А в точку Б. Но всё-таки выходит так, что эти частички проваливаются в кротовину, а благодаря своей безмассовости создают отрицательную энергию внутри неё. И таким образом бурят внутри червоточины свой собственный стабильный тоннель, в котором мы, собственно, вполне можем уместиться всей командой.
Итого нам понадобится:
— чёрная дыра с сильным магнитным полем;
За секунду такого путешествия мы преодолеем 10 тысяч световых лет, а на Земле за это время пройдёт 10 тысяч лет.
Ученые придумали, как найти червоточину в космосе. Но насколько это опасно?
Главной проблемой для освоения космоса никогда не было наше воображение или даже наша способность придумывать новые технологии, позволяющие совершать космические полеты, а огромные пространства в космосе. Космическому аппарату «Новые горизонты» потребовалось 9,5 лет, чтобы добраться до Плутона, который всего лишь находится в нашей Солнечной системе. До ближайшей звезды (после нашего Солнца) — более 42 трлн км. Было бы удобно, если бы вселенная «предоставила» нам особые порталы, которые могут помочь сократить наш путь до своих интригующих и неизученных объектов. Например, червоточины или кротовые норы. Недавно группа исследователей предложила оригинальную идею, как их обнаружить. Но что такое вообще червоточины и насколько их обнаружение безопасно? Рассказываем все о кротовых норах, путешествиях во времени и вспоминаем предупреждение Хокинга об использовании кротовых нор.
Читайте «Хайтек» в
Что же такое червоточины?
Физики-теоретики выдвинули гипотезу о существовании таких «ярлыков» в пространстве-времени в 1930-х годах, первоначально называя их «белыми дырами» и, в конечном итоге, мостами Эйнштейна-Розена. Белая дыра действует как обратная сторона черной дыры. Снаружи червоточины могут выглядеть как черные дыры. Но в то время как объект, который падает в черную дыру, попадает туда, как в ловушку, что-то, что падает в червоточину, может пройти через нее на другую сторону.
Поскольку название «Мосты Эйнштейна-Розена» для такого впечатляющего возможного явления немного суховатое, оно стали более широко известно как червоточины или кротовые норы.
Вы можете изобразить червоточину как своего рода туннель, который соединяет две точки в пространстве-времени. Этот туннель может быть прямым желобом или быть извилистым путем. Если червоточина «проходима», она действует как сокращение пути в пространстве-времени, соединяя две точки, которые в противном случае были бы далеко друг от друга. Червоточины могут соединять разные точки в пределах одной вселенной или они могут соединять разные вселенные.
Наиболее распространенный способ изображения червоточин — представить, что вы держите лист бумаги, который представляет собой нормальное пространство. Думайте о путешествии в пространстве как о путешествии по листу бумаги. Теперь отметьте точку на каждом конце и согните лист бумаги пополам, соединяя эти две точки вместе, но не позволяя им соприкоснуться. Если бы вы путешествовали в обычном пространстве (то есть вдоль листа бумаги), поездка от одной из ваших меток к другой была бы более длительной, чем если бы существовал туннель или «червоточина», соединяющая две точки на бумаге через пустое пространство между ними.
Червоточины действительно существуют?
Червоточина никогда не наблюдалась ни прямо, ни косвенно, но они «существуют» в математическом смысле, когда возникают в решениях уравнений гравитационного поля, лежащих в основе общей теории относительности Эйнштейна. Это означает, что мы можем разбить вселенную на множество частей, а затем использовать математические уравнения, чтобы описать, как эти части сочетаются друг с другом.
Эти уравнения поля похожи на строительные леса, на которых и строится вселенная. Уравнения, которые описывают, как работает общая теория относительности или гравитации, не требуют наличия червоточин, но допускают их существование. Другими словами, одним из возможных решений общих уравнений поля относительности является червоточина, соединяющая две точки в пространстве-времени.
Червоточины — это не только чисто теоретические явления. Есть несколько известных проблем, которые делают их реальностью даже в математике за пределами уравнений Эйнштейна.
Чем опасны червоточины. К чему приведет их открытие?
Для начала, червоточины нестабильны, то есть быстро разрушаются. Таким образом, любые возможные путешественники в космосе никогда не смогут добраться до другого конца туннеля, если он будет разрушаться вокруг них. Однако еще не все потеряно, потому что физики обнаружили, что использование экзотической материи может держать червоточину открытой. Экзотическая материя, которую не следует путать с темной материей, является формой, которая имеет отрицательную плотность энергии и отрицательное давление. Она отталкивается, а не притягивается гравитацией. До сих пор экзотическая материя появляется в форме частиц в квантовых экспериментах, поэтому никто не знает, может ли достаточное количество экзотической материи создать червоточину в одном месте.
И даже если бы мы могли поддержать туннель с червоточиной, открытый с помощью способности экзотической материи отталкивать гравитацию, другие теоретики, такие как Стивен Хокинг, предостерегают о другой проблеме. Если когда-нибудь даже одна частица попадает в червоточину, математика требует, чтобы червоточина начала разрушаться. Это не сулит ничего хорошего для межгалактического пространства и путешествий во времени.
Нельзя создавать замкнутые кривые, подобные времени. Обратная реакция помешала бы появлению замкнутых кривых времени. Законы физики не допускают появления замкнутых, подобных времени, кривых, предупреждал Хокинг, защищая хронологию времени в своем исследовании в 1992 году.
Потенциал червоточины. Что нам могут дать кротовые норы?
Червоточины являются популярным предметом среди любителей научной фантастики и физиков-теоретиков, потому что такие явления могут открыть множество возможностей. Люди могли бы путешествовать в другую галактику или исследовать существование параллельных вселенных в пределах человеческой жизни.
И червоточины не только дают возможность космических путешествий, но и для путешествий во времени. Мы могли бы вернуться к ранним дням формирования нашей солнечной системы и прекратить, наконец, спор о том, как сформировалась наша Луна. Может, даже разгадать тайну того, как появилась сверхмассивная черная дыра в центре Млечного пути? И это только начало.
Учитывая, что существование червоточин так заманчиво, следует ожидать как можно больше исследований на эту тему. И вот недавно ученые предложили оригинальное решение.
Детекторы гравитационных волн уже обнаружили таинственные черные дыры. Следующими могут быть червоточины.
Судя по исследованию физиков, черная дыра, закручивающаяся в червоточину, создаст в пространстве и пространстве рябь, которую можно будет обнаружить и зафиксировать в обсерваториях гравитационных волн ЛИГО и Дева.
Пока не было найдено никаких доказательств существования червоточин. Но если они существуют, у исследователей есть шанс обнаружить червоточины именно с помощью гравитационных волн, уверены ученые.
Они в своем теоритическом подходе рассматривали черную дыру с массой в пять раз больше солнечной, которая вращалась вокруг червоточины на расстоянии в 1,6 млрд световых лет от Земли. Исследователи подсчитали, что, когда черная дыра приблизится к кротовой норе, она начнет закручиваться по спирали внутрь, как если бы она вращалась вокруг другой массивной черной дыры. Этот процесс будет сопровождаться колебаниями и создаст гравитационные волны. Сначала они будут выглядеть как стандартный паттерн волн, частота которых увеличивается со временем.
Но как только черная дыра достигнет цента центра червоточины, называемой горлом, черная дыра пройдет сквозь нее и гравитационные волны в первой вселенной резко исчезнут.
Исследователи рассматривали, что произойдет, если черная дыра возникнет в далеком мире, например, в другой вселенной. В этом случае гравитационные волны во вселенной № 1 внезапно исчезнут.
Во вселенной № 2 появившаяся черная дыра начала бы движение по спирали. Это могло бы указать на прохождение ею пространственно-временного туннеля.
И эти самые волны, по мнению ученых, должны отличаться от тех, которые возникают, когда два объекта приближаются друг к другу. Далее черная дыра повторит движение по тоннелю между двумя вселенными, вызывая всплески гравитационных волн, до тех пор, пока ее энергия это позволит.
По мнению исследователей, если бы вселенная № 2 была нашей вселенной, при определенном расстоянии у ученых была бы возможность обнаружить эти особые гравитационные волны. Это и станет доказательством того, что черная дыра прошла через червоточину, а значит, она существует.
Согласно общей теории относительности, которая описывает гравитацию как результат искривления пространства-времени, червоточины возможны.
Обсерватория LIGO, базирующаяся в Соединенных Штатах, или лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория Advanced Virgo в Италии обнаруживают рябь от черных дыр или нейтронных звезд. Эти массивные объекты вращаются вокруг друг друга, прежде чем они сливаются.
В настоящее время ученые умеют замечать такие слияния, подтвердив более дюжины с 2015 года, и ожидают большего подтверждения. Но в какой-то момент физики должны будут сосредоточиться на более необычных возможностях, говорит физик Витер Кардосо из Instituto Superior Técnico в Лиссабоне, Португалия. Пришло время искать более странные, но захватывающие сигналы, подчеркивает он.
И все же человечеству стоит помнить предостережение Хокинга и помнить, насколько это опасно.