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.
Путешествие сквозь пространство и время возможно не только в фантастических фильмах и научно-фантастических книгах, еще немного и это может стать реальностью. Множество известных и уважаемых специалистов работают над исследованием такого феномена как червоточина и пространственно-временной туннель.
Червоточина, в определении физика Эрика Дэвиса, некий космический туннель, называемый еще горловиной, соединяющий между собой две отдаленные области во Вселенной или две различные Вселенные,- если другие Вселенные существуют – или два различных периода времени, или различные пространственные измерения. Несмотря на то, что существование не доказано, ученые всерьез рассматривают всевозможные способы использования проходимых червоточин, при условии их существования, для преодоления расстояния со скоростью света, и даже перемещений во времени.
Прежде чем использовать червоточины, ученым необходимо их найти. Сегодня, к сожалению, не обнаружено доказательств существования червоточин. Но если, они все же существуют, их расположение может быть не таким трудным, как кажется на первый взгляд.
Что же такое червоточины?
На сегодняшний день существует несколько теорий возникновения червоточин. Математик Людвиг Фламм применявший уравнения относительности Альберта Эйнштейна, первый предложил термин «червоточина», описывая процесс, когда сила тяжести может изогнуть временное пространство, относящееся к ткани физической действительности, вследствие чего и образуется пространственно-временной тоннель.
Али Эвгюн, из Восточного Средиземноморского университета на Кипре, предполагает, что червоточины возникают в местах плотного скопления темной материи. Согласно этой теории, червоточины могли существовать во внешних областях Млечного пути, где есть темная материя, и в пределах других галактик. Математически ему удалось доказать, что есть все необходимые условия для подтверждения данной теории.
"В будущем будет возможность косвенно наблюдать за подобными экспериментами, как показано в фильме "Интерстеллар”, - сказал Али Эвгюн.
Торн и еще ряд ученых пришли к выводу, что даже если бы вследствие необходимых факторов образовалась некоторая червоточина, она вероятнее всего разрушилась бы прежде, чем какой-то объект или человек прошли сквозь нее. Для того чтобы сохранить червоточину открытой достаточно долго потребовалось бы большое количество так званой «экзотической материи». Одна из форм естественной «экзотической материи» является темная энергия, Дэвис так поясняет ее действие: «давление, значение которого ниже атмосферного, создает гравитационно-отталкивающую силу, в свою очередь, толкающую внутреннее пространство нашей Вселенной наружу, что производит инфляционное расширение Вселенной».
Такой экзотический материал, как темная материя, распространен во Вселенной в пять раз больше, чем обычные вещества. До сих пор ученым не удавалось обнаружить скопления темной материи или темной энергии, поэтому неизвестны многие их свойства. Изучение их свойств, происходит посредством изучения пространства вокруг них.
Через червоточину сквозь время – реальность?
Идея путешествия во времени довольно популярна не только в среде исследователей. На теории червоточин основано путешествие Алисы в Зазеркалье в одноименном романе Льюиса Керролла. Что представляет собой пространственно-временной тоннель? Регион пространства в дальнем конце туннеля должен выделяться из области, находящейся вокруг входа, благодаря искажениям, подобными отражению в искривленных зеркалах. Еще одним признаком может быть сосредоточенное движение света направленное через туннель червоточины воздушными течениями. Дэвис называет явление на переднем конце червоточины "каустическим эффектом радуги". Такие эффекты могут быть видимы с расстояния. "Астрономы планируют использовать телескопы для охоты на эти радужные явления, в поисках естественной или даже неестественно созданной, проходимой кротовой норы ", - сказал Дэвис. - «Я никогда не слышал о том, что проект всё-таки сдвинулся с мертвой точки ".
В рамках своего исследования кротовых нор, Торн предположил теорию, согласно которой, червоточину можно будет использовать в качестве машины времени. Мысленные эксперименты, связанные с путешествиями во времени достаточно часто сталкиваются с парадоксами. Пожалуй, самым известным из них является парадокс дедушки: Если исследователь отправится в прошлое и убьет своего деда, то этот человек не сможет родиться, и соответственно никогда бы не вернется во времени обратно. Можно предположить, что обратного пути в путешествии во времени нет, по словам Дэвиса, работа Торна открыла новые возможности для изучения учеными.
Призрачная Связь: Червоточины и Квантовый Мир
"Вся кустарная промышленность теоретической физики произрастала из теорий, которые привели к развитию других пространственно-временных методов, производящих описанные причины парадоксов, связанных с машиной времени", - сказал Дэвис. Несмотря ни на что возможность использование червоточины для путешествий во времени привлекает и поклонников фантастики, и желающих изменить свое прошлое. Дэвис считает, основываясь на современных теориях, что для того, чтобы сделать из червоточины машину времени, потоки в одном или обоих концах туннеля необходимо будет ускорить до скоростей, приближающихся к скорости света.
"Исходя из этого, было бы крайне трудно построить машину времени на основе червоточины”, - сказал Дэвис. - " Относительно этого гораздо проще будет использовать червоточины для межзвездных путешествий в космосе".
Другие физики предположили, что путешествия во времени с помощью червоточины могут вызвать массированное наращивание энергии, которая уничтожит тоннель, прежде чем он может быть использован в качестве машины времени - процесс, известный как обратная квантовая реакция. Тем не менее, мечтать о потенциале червоточин по-прежнему весело: "Подумайте о всех возможностях, которые получили бы люди, если бы они обнаружили способ, что они могли бы сделать, если бы могли путешествовать во времени?," - сказал Дэвис. - "Их приключения были бы очень интересными, если не сказать больше".
Кротовая нора. Что такое "Кротовая Нора"?
Гипотетическая "Кротовая Нора", которую называют еще "кротовиной" или "червоточиной" (дословный перевод Wormhole) представляет из себя некий пространственно-временной туннель, который позволяет переместиться объекту из пункта а в пункт б во вселенной не по прямой, а огибая пространство. В том случае, если проще, то возьмите любой листок бумаги, сложите его пополам и проткните, полученная дырка и будет той самой кротовой норой
Так вот есть теория, что пространство во вселенной может быть условно таким же листом бумаги, внимание, только с поправкой на третье измерение. Различные ученые выводят гипотезы, что благодаря Кротовым норам возможно путешествие в пространстве - времени. Но при этом никто не знает, какие именно опасности могут представлять червоточины и что на самом деле может находиться по ту сторону от них.
Теория кротовых нор.
В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен, используя общую теорию относительности, предположили, что во вселенной существуют специальные "Мосты" через пространство - время. Эти пути, которые назвали мостами Эйнштейна - Розена (или червоточинами), соединяют две совершенно разные точки в пространстве - времени путем теоретического создания искривления пространства, которое сокращает путешествие из одной точки в другую.
Опять же гипотетически любая кротовая нора состоит из двух входов и горловины (то есть того самого туннеля. При этом, скорее всего, входы у кротовой норы представляют сфероидальную форму, а горловина может представлять как прямой отрезок пространства, так и спиральный.
Путешествие сквозь кротовую нору.
Первая проблема, которая окажется на пути возможности таких путешествий, это размер кротовых нор. Считается, что самые первые кротовые норы были очень маленького размера, порядка 10-33 сантиметров, но за счет расширения вселенной появилась вероятность того, что вместе с ней расширялись и увеличивались и сами червоточины. Другой проблемой, связанной с червоточинами, является их стабильность. А точнее, нестабильность.
Объясняемые теорией Эйнштейна - Розена кротовые норы будут бесполезны для пространственно-временных путешествий, потому что они очень быстро коллапсируют (закрываются. Но более свежие исследования этих вопросов подразумевают наличие "Экзотической Материи", которая позволяет норам сохранять свою структуру на более продолжительный промежуток времени.
И все же теоретическая наука считает, что если кротовые норы будут содержать достаточное количество этой экзотической энергии, которая либо появилась натуральным образом, либо появится искусственным образом, то возникнет возможность передачи информации или даже объектов через пространство - время.
Те же гипотезы предполагают, что кротовые норы могут соединять не только две точки в рамках одной вселенной, но и являться входом в другие. Некоторые ученые считают, что если переместить определенным образом один вход червоточины, то появится возможность путешествия во времени. Но, например, знаменитый британский космолог Стивен хокинг считает, что такое использование червоточин невозможно.
Тем не менее некоторые научные умы настаивают, что если стабилизация кротовых нор за счет экзотической материи будет действительно возможна, то появится и возможность для безопасного путешествия людей сквозь такие кротовые норы. А за счет "Обычной" материи, при желании и необходимости, такие порталы можно будет обратно дестабилизировать.
Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. Значит, ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля, попав в него. Область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется траекторией световых лучей, которые первыми потеряли возможность вырваться наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры. Пример: глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.
Физики нашли признаки существования иной Вселенной
Подробнее
Существует пять видов черных дыр, но нас интересует именно черная дыра звездной массы. Такие объекты образуются на конечном этапе жизни небесного тела. Вообще, смерть звезды может обернуться следующими вещами:
1. Она превратится в очень плотную погасшую звезду, состоящую из ряда химических элементов, - это белый карлик;
2. В нейтронную звезду - имеет примерную массу Солнца и радиус около 10-20 километров, внутри состоит из нейтронов и других частиц, а снаружи заключена в тонкую, но твердую оболочку;
3. В черную дыру, гравитационное притяжение которой настолько велико, что может засасывать объекты, летящие со скоростью света.
При возникновении сверхновой, то есть «перерождении» звезды, образуется черная дыра, которую можно обнаружить только благодаря излучаемой радиации. Именно она и способна сгенерировать червоточину.
Если представить черную дыру как воронку, то объект, попав в нее, теряет горизонт событий и падает внутрь. Так где кротовая нора? Она располагается в точно такой же воронке, прикрепленной к тоннелю черной дыры, где выходы обращены наружу. Ученые полагают, что другой конец кротовой норы соединен с белой дырой (антиподом черной, в который ничто не может попасть).
Кротовая нора. Черные дыры Шварцшильда и Райснера-Нордстрема
Черная дыра Шварцшильда может считаться непроходимой кротовой норой. Что касается черной дыры Райснера-Нордстрема, она устроена несколько сложнее, однако также непроходима. Тем не менее придумать и описать четырехмерные кротовые норы в космосе, которые можно было бы пройти, не так уж сложно. Стоит лишь подобрать необходимый вид метрики. Метрический тензор, или метрика, - набор величин, используя который, можно вычислить четырехмерные интервалы, существующие между точками-событиями. Этот набор величин полностью характеризует также и поле тяготения, и геометрию пространства-времени. Геометрически проходимые кротовые норы в космосе даже проще, нежели черные дыры. В них нет горизонтов, которые ведут к катаклизмам с ходом времени. В различных точках время может идти а разном темпе, однако оно не должно при этом бесконечно останавливаться или ускоряться.
Пульсары: фактор маяка
По сути пульсар – это быстро вращающаяся нейтронная звезда. Нейтронная звезда – это сильноуплотненное ядро мертвой звезды, оставшееся после взрыва сверхновой. Эта нейтронная звезда обладает мощным магнитным полем. Это магнитное поле около одного триллиона раз сильнее магнитного поля Земли. Магнитное поле заставляет нейтронную звезду излучать от ее северного и южного полюсов сильные радиоволны и радиоактивные частицы. Эти частицы могут включать в себя различные излучения, в том числе и видимый свет.
Пульсары, которые излучают мощные гамма-лучи, известны как пульсары гамма-лучей. Если нейтронная звезда располагается своим полюсом к Земле, то мы можем видеть радиоволны каждый раз, как только один из полюсов попадает в наш ракурс. Этот эффект очень похож на эффект маяка. Неподвижному наблюдателю кажется, что свет вращающегося маяка постоянно мигает, то пропадая, то появляясь опять. Таким же образом нам кажется, что пульсар мигает, когда он вращается своими полюсами относительно Земли. Разные пульсары издают импульсы разной скорости, в зависимости от размера и массы нейтронной звезды. Иногда пульсар может иметь спутника. В некоторых случаях он может притягивать своего спутника, что заставляет вращаться его еще быстрее. Самые быстрые пульсары могут издавать более ста импульсов в секунду.
Гипотетическая «кротовая нора», которую называют еще «кротовиной» или «червоточиной» (дословный перевод wormhole) представляет из себя некий пространственно-временной туннель, который позволяет переместиться объекту из пункта А в пункт Б во Вселенной не по прямой, а огибая пространство. Если проще, то возьмите любой листок бумаги, сложите его пополам и проткните, полученная дырка и будет той самой кротовой норой. Так вот есть теория, что пространство во Вселенной может быть условно таким же листом бумаги, только с поправкой на третье измерение. Различные ученые выводят гипотезы, что благодаря кротовым норам возможно путешествие в пространстве-времени. Но при этом никто не знает, какие именно опасности могут представлять червоточины и что на самом деле может находиться по ту сторону от них.
Теория кротовых нор
В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен, используя общую теорию относительности, предположили, что во Вселенной существуют специальные «мосты» через пространство-время. Эти пути, которые назвали мостами Эйнштейна-Розена (или червоточинами), соединяют две совершенно разные точки в пространстве-времени путем теоретического создания искривления пространства, которое сокращает путешествие из одной точки в другую.
Опять же гипотетически любая кротовая нора состоит из двух входов и горловины (то есть того самого туннеля). При этом, скорее всего, входы у кротовой норы представляют сфероидальную форму, а горловина может представлять как прямой отрезок пространства, так и спиральный.
Общая теория относительности математически доказывает вероятность существования кротовых нор, но до сих пор ни одна из них не была обнаружена человеком. Сложность ее обнаружения заключается в том, что предполагаемая огромная масса кротовых нор и гравитационные эффекты просто поглощают свет и не дают ему отразиться.
Несколько гипотез, построенных на базе общей теории относительности, предполагают существование кротовых нор, где роли входа и выхода играют черные дыры. Но стоит учесть, что появление самих черных дыр, образующихся от взрыва погибающих звезд, никоим образом не создает кротовую нору.
Путешествие сквозь кротовую нору
В научной фантастике нередко встречается, что главные герои путешествуют сквозь кротовые норы. Но в реальности такое путешествие далеко не такое простое, как это показывают в фильмах и рассказывают в фантастической литературе.
Первая проблема, которая окажется на пути возможности таких путешествий, это размер кротовых нор. Считается, что самые первые кротовые норы были очень маленького размера, порядка 10-33 сантиметров, но за счет расширения Вселенной появилась вероятность того, что вместе с ней расширялись и увеличивались и сами червоточины. Другой проблемой, связанной с червоточинами, является их стабильность. А точнее, нестабильность.
Объясняемые теорией Эйнштейна-Розена кротовые норы будут бесполезны для пространственно-временных путешествий, потому что они очень быстро коллапсируют (закрываются). Но более свежие исследования этих вопросов подразумевают наличие «экзотической материи», которая позволяет норам сохранять свою структуру на более продолжительный промежуток времени.
Эта экзотическая материя, которую не следует путать с черной материей и антиматерией, состоит из энергии отрицательной плотности и колоссального отрицательного давления. Упоминание такой материи присутствует лишь в некоторых теориях вакуума в рамках квантовой теории поля.
И все же теоретическая наука считает, что если кротовые норы будут содержать достаточное количество этой экзотической энергии, которая либо появилась натуральным образом, либо появится искусственным образом, то возникнет возможность передачи информации или даже объектов через пространство-время.
Те же гипотезы предполагают, что кротовые норы могут соединять не только две точки в рамках одной вселенной, но и являться входом в другие. Некоторые ученые считают, что если переместить определенным образом один вход червоточины, то появится возможность путешествия во времени. Но, например, знаменитый британский космолог Стивен Хокинг считает, что такое использование червоточин невозможно.
Тем не менее некоторые научные умы настаивают, что если стабилизация кротовых нор за счет экзотической материи будет действительно возможна, то появится и возможность для безопасного путешествия людей сквозь такие кротовые норы. А за счет «обычной» материи, при желании и необходимости, такие порталы можно будет обратно дестабилизировать.
К сожалению, сегодняшних технологий человечества недостаточно для того, чтобы кротовые норы можно было искусственно увеличивать и стабилизировать, на тот случай, если они все-таки будут обнаружены. Но ученые продолжают исследовать концепции и методы для быстрых космических путешествий и, возможно, однажды наука придет к правильному решению.
Видео Кротовая нора: дверь в зазеркалье
Научно-фантастические фанаты надеются, что человечество в один прекрасный день сможет отправиться в отдаленные уголки Вселенной через кротовую нору.
Кротовая нора – теоретический туннель через пространство-время, который потенциально позволит быстрее путешествовать между удаленными точками в пространстве – от одной галактике к другой, например, как это было показано в фильме Кристофера Нолана "Interstellar", который вышел в прокат в кинотеатрах по всему миру в начале этого месяца.
В то время как согласно теории общей относительности Эйнштейна существование червоточин возможно, такие экзотические путешествия, вероятно, так и останутся в области научной фантастики, заявил известный астрофизик Кип Торн из Калифорнийского технологического института в Пасадене, который служил в качестве советника и исполнительного продюсера "Interstellar".
"Смысл в том, что мы просто ничего о них не знаем", - сказал Торн, который является одним из ведущих мировых специалистов в области теории относительности, черных дыр и кротовых нор. "Но существуют очень сильные признаки того, что человек по законам физики не сможет путешествовать через них".
"Основная причина связана с нестабильностью кротовых нор", - добавил он. "Стены кротовых нор разрушаются так быстро, что ничто не способно пройти через них".
Удержание червоточин открытыми потребует использование чего-то анти-тяготеющего, а именно отрицательную энергию. Отрицательная энергия была создана в лаборатории с помощью квантовых эффектов: одна область пространства получает энергию другой области, в которой образуется дефицит.
"Так что это в теории возможно", - сказал он. "Но мы никогда не сможем получить достаточно негативной энергии, которая способна будет удерживать стены червоточины открытыми".
Кроме того, червоточины (если они вообще существуют) почти наверняка не могут образоваться естественным образом. То есть, они должны быть созданы с помощью развитой цивилизации.
Это именно то, что и случилось в "Interstellar": Загадочные существа построили червоточину возле Сатурна, позволив небольшой группе пионеров, во главе с бывшим фермером Купер (роль которого исполняет Мэттью МакКонахи), отправиться в поисках нового дома для человечества, существование которому на Земле угрожает глобальный неурожай.
Лица, заинтересованные в получении дополнительной информации о науке в фильме "Interstellar", где рассматриваются вопросы о гравитационном замедление и изображены несколько чужеродных планет, вращающихся вокруг близко расположенной, могут прочитать новую книгу Торна, которая недвусмысленно называется "Наука из Interstellar".
Кротовая нора где находится. Кротовые норы в общей теории относительности
(ОТО) допускает существование таких туннелей, хотя для существования проходимой кротовой норы необходимо, чтобы она была заполненас отрицательной, создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Решения типа кротовых нор возникают в различных вариантах, хотя до полного исследования вопроса ещё очень далеко.
Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной». Кротовые норы делятся на «внутримировые» (intra-universe) и «межмировые» (inter-universe), в зависимости от того, можно ли соединить её входы кривой, не пересекающей горловину.
Различают также проходимые (traversable) и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которыеслишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал (имеющие скорость не выше световой) успели добраться от одного входа до другого. Классический пример непроходимой кротовины -в, а проходимой -.
Проходимая внутримировая кротовая нора даёт гипотетическую возможность, если, например, один из её входов движется относительно другого, или если он находится в сильном, где течение времени замедляется. Также кротовые норы гипотетически могут создавать возможность для межзвёздных путешествий, и в этом качестве кротовины нередко встречаются в.
Космические кротовые норы. Сквозь «кротовины» - к звёздам?
К сожалению, о практическом использовании «кротовых нор» для достижения удалённых космических объектов речь пока не идёт. Их свойства, разновидности, места возможного нахождения пока известны лишь теоретически - хотя, согласитесь, и это уже немало. Ведь мы имеем множество примеров того, как казавшиеся чисто умозрительными построения теоретиков приводили к возникновению новых технологий, в корне менявших жизнь человечества. Атомная энергетика, компьютеры, мобильная связь, генная инженерия… да мало ли что ещё?
Пока же о «кротовых норах», или «червоточинах», известно следующее. В 1935 году Альберт Эйнштейн и американо-израильский физик Натан Розен высказали предположение о существовании своего рода туннелей, соединяющих различные удалённые области пространства. В то время их ещё не называли «червоточинами», или «кротовинами», а просто - «мосты Эйнштейна-Розена». Поскольку для возникновения таких мостов требовалось очень сильное искривление пространства, время их существования было очень коротким. Никто и ничто не успело бы «пробежать» по такому мосту - под влиянием гравитации он почти сразу же «схлопывался».
А стало быть, оставался совершенно бесполезным в практическом смысле, хотя и занятным следствием общей теории относительности.
Однако позднее появились идеи о том, что некоторые межпространственные туннели могут существовать достаточно долгое время - при условии, что они наполнены некоей экзотической материей с отрицательной плотностью энергии. Такая материя будет создавать вместо притяжения гравитационное отталкивание и тем самым препятствовать «охлопыванию» канала. Тогда же появилось и название «червоточина». Кстати, наши учёные предпочитают название «кротовина», или «кротовая нора»: смысл тот же, а звучит гораздо приятнее…
Американский физик Джон Арчибальд Уилер (1911-2008 годы), развивая теорию «червоточин», предположил, что они пронизаны электрическим полем; больше того, сами электрические заряды являются, по сути, горловинами микроскопических «червоточин». Российский же астрофизик академик Николай Семёнович Кардашёв считает, что «кротовые норы» могут достигать гигантских размеров и что в центре нашей Галактики находятся вовсе не массивные чёрные дыры, а устья таких «нор».
Практический интерес для будущих космических путешественников будут представлять «кротовые норы», которые удерживаются в стабильном состоянии достаточно долгое время и к тому же пригодны для прохождения через них космических кораблей.
Американцы Кип Торн и Майкл Моррис создали теоретическую модель таких каналов. Однако их стабильность обеспечивается «экзотической материей», про которую ничего толком неизвестно и в которую, возможно, земной технике лучше даже не соваться.
А вот российские теоретики Сергей Красников из Пулковской обсерватории и Сергей Сушков из Казанского федерального университета выдвинули идею о том, что стабильность кротовой норы может достигаться и безо всякой отрицательной плотности энергии, а просто за счёт поляризации вакуума в «норе» (так называемый механизм Сушкова).
В общем, сейчас существует целый набор теорий «кротовых нор» (или, если угодно, «червоточин»). Весьма общая и умозрительная классификация делит их на «проходимые» - стабильные, червоточины Морриса - Торна, и непроходимые - мосты Эйнштейна - Розена. Кроме того, червоточины различаются по масштабам - от микроскопических до гигантских, сопоставимых по размерам с галактическими «чёрными дырами». Ну и, наконец, по своему назначению: «внутримировые» (intra-universe), соединяющие различные места одной и той же изогнутой Вселенной, и «межмировые» (inter-universe), позволяющие попасть в другой пространственно-временной континуум.
Наука
Недавно вышедший на экраны визуально-захватывающий фильм "Интрестеллар" основывается на реальных научных понятиях , таких как вращающиеся черные дыры, кротовые норы и расширение времени .
Но если вы не знакомы с этими понятиями, то возможно, слегка запутаетесь во время просмотра.
В фильме команда космических исследователей отправляется во внегалактическое путешествие сквозь кротовую нору . На другой стороне они попадают в иную Солнечную систему с вращающейся черной дырой вместо звезды.
Они находятся в гонке с пространством и временем, чтобы выполнить свою миссию. Такое космическое путешествие может показаться слегка запутанным, но оно основывается на основных принципах физики.
Вот основные 5 понятий физики , которые нужно знать, чтобы понять "Интерстеллар":
Искусственная гравитация
Самой большой проблемой, с которой сталкиваемся мы, люди, при длительных космических путешествиях, является невесомость . Мы родились на Земле, и наше тело приспособилось к определенным гравитационным условиям, но когда мы находимся в космосе длительное время, наши мышцы начинают ослабевать.
С этой проблемой сталкиваются и герои в фильме "Интерстеллар".
Чтобы справиться с этим, ученые создают искусственную гравитацию в космических кораблях . Одним из способов сделать это - раскрутить космический корабль, как в фильме. Вращение создает центробежную силу, которая отталкивает объекты к внешним стенкам корабля. Это отталкивание похоже на гравитацию, только в обратном направлении.
Такую форму искусственной гравитации вы испытываете, когда едете вокруг кривой малого радиуса и вам кажется, что вас отталкивает наружу, от центральной точки кривой. Во вращающемся космическом корабле стены для вас становятся полом.
Вращающаяся черная дыра в космосе
Астрономы, хотя и косвенно, наблюдали в нашей Вселенной вращающиеся черные дыры . Никто не знает, что находится в центре черной дыры, но у ученых есть для этого название – сингулярность .
Вращающиеся черные дыры искажают пространство вокруг себя по-иному в отличие от неподвижных черных дыр.
Этот процесс искажения называется "увлечение инерциальных систем отсчёта" или эффект Лензе-Тирринга, и оно влияет на то, как будет выглядеть черная дыра, искажая пространство, и что более важно пространство-время вокруг нее. Черная дыра, которую вы видите в фильме, достаточно сильно приближена к научному понятию .
- Космический корабль "Эндюранс" направляется к Гаргантюа - вымышленной сверхмассивной черной дыре массой в 100 миллион раз больше Солнца.
- Она находится на расстоянии 10 миллиардов световых лет от Земли, и вокруг нее вращается несколько планет. Гаргантюа вращается с поразительной скоростью 99,8 процентов от скорости света.
- Аккреционный диск Гарагантюа содержит газ и пыль с температурой поверхности Солнца. Диск снабжает планеты Гаргантюа светом и теплом.
Сложный вид черной дыры в фильме связан с тем, что изображение аккреционного диска искривлено гравитационным линзированием. На изображении появляется две дуги: одна образуется над черной дырой, а другая под ней.
Кротовая нора
Кротовая нора или червоточина, которую использует экипаж в "Интерстеллар" – это одно из явлений в фильме, существование которого не доказано . Она гипотетическая, но очень удобная в сюжетах научно-фантастических историй, где нужно преодолеть большое космическое расстояние.
Просто кротовые норы – это своего рода кратчайший путь сквозь пространство . Любой объект с массой создает норку в пространстве, что означает, что пространство можно растягивать, деформировать и даже складывать.
Червоточина - это как складка на ткани пространства (и времени), которая соединяет две очень далекие области, что помогает космическим путешественникам преодолеть большое расстояние за короткий период времени .
Официальное название кротовой норы – "мост Эйнштейна-Розена", так как впервые она была предложена Альбертом Эйнштейном и его коллегой Натаном Розеном в 1935 году.
- В двухмерных диаграммах устье кротовой норы показано в виде круга. Однако, если бы мы могли увидеть кротовую нору, она бы выглядела, как сфера.
- На поверхности сферы был бы виден гравитационно искаженный вид пространства с другой стороны "норы".
- Размеры кротовой норы в фильме: 2 км в диаметре и расстояние переноса - 10 миллиардов световых лет.
Гравитационное замедление времени
Гравитационное замедление времени – это реальное явление, наблюдаемое на Земле. Оно возникает потому, что время относительно . Это означает, что оно течет по-разному для различных систем координат.
Когда вы находитесь в сильной гравитационной среде, время течет медленнее для вас по сравнению с людьми, находящимися в слабой гравитационной среде.
Нырните в гравитационный колодец по одну сторону червоточины и мгновенно окажетесь на другой стороне. За миллионы или миллиарды световых лет. И хотя червоточины теоретически совершенно возможно создать, на практике, из того, что мы знаем на текущий момент, это практически невозможно.
Первая крупная проблема заключается в том, что червоточины непроходимы в соответствии с общей теорией относительности. Вдумайтесь: физика, которая предсказывает эти вещи, не позволяет использовать их в качестве метода транспортировки. Это серьезный аргумент против них.
Второе, даже если червоточины возможно создать, они будут совершенно нестабильны и коллапсируют сразу после образования. Если вы попытаетесь пройти в один конец, вы можете запросто угодить в черную дыру.
В-третьих, даже если они будут проходимы и стабильны, попытка какого-нибудь материала пройти через них - даже фотонов света - может привести к коллапсу.
Впрочем, есть проблеск надежды, поскольку физики до конца не выяснили, . Это значит, что Вселенная сама по себе может скрывать факты о червоточинах, которых мы пока не понимаем. Существует возможность, что они появились естественным образом как часть Большого Взрыва, когда пространство-время всей Вселенной было запутано в сингулярность.
Астрономы предлагали искать червоточины в космосе, наблюдая за тем, как их гравитация искажает свет звезд за ними. Но пока ничего не нашли.
Существует также возможность, что червоточины появляются естественным образом, подобно виртуальным частицам, которые, как мы знаем, существуют. Только будут чрезвычайно малыми, в планковских масштабах. Вам понадобится маленький космический аппарат.
Одно из самых увлекательных последствий червоточин в том, что их можно использовать для путешествий во времени. Вот как это работает. Во-первых, создайте червоточину в лаборатории. Затем возьмите один конец червоточины, поместите на космический аппарат и летите со скоростью, близкой к световой, так, чтобы сработал эффект замедления времени. Для людей на космическом корабле пройдет всего несколько лет, тогда как на Земле пройдут сотни или даже тысячи лет. Если вам удастся поддерживать червоточину стабильной, открытой и проходимой, путешествовать через нее было бы весьма интересно.
Если вы пройдете в одном направлении, вы не только преодолеете расстояние между червоточинами, но и переместитесь из одного времени в другое. Причем работать это должно в обоих направлениях, туда и обратно. Некоторые физики вроде Леонарда Сасскинда считают, что это не сработает, потому что нарушает два фундаментальных принципа физики: сохранение локальной энергии и принцип неопределенности энергии-времени.
К сожалению, кажется, что червоточины должны оставаться в области научной фантастики в обозримом будущем и, возможно, навсегда. Даже если появится возможность создать червоточину, ее придется поддерживать стабильной и открытой, а также выяснить, как не дать материи в ней коллапсировать. Впрочем, если мы когда-нибудь совершим этот подвиг, вопрос с путешествиями в космосе будет решен.