Что такое червоточина в космосе
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.
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.
Как построить космическую червоточину?
Все хотят научиться путешествовать сквозь пространство и время. Для того, чтобы это сделать, не проводя тысячи лет в космическом корабле, мы можем заглянуть на другой конец галактики с помощью червоточины или, как ее еще называют, «кротовой норы». Однако здесь есть одна небольшая трудность: для того, чтобы создать червоточину, нам может потребоваться огромное количество энергии. Где же ее взять и возможно ли создать туннель сквозь пространство и время в целом?
Для того, чтобы построить тоннель сквозь пространство и время, нам может потребоваться огромное количество энергии
Можно ли построить тоннель сквозь пространство и время?
Перед тем, как отправиться в межзвездное путешествие через «кротовую нору», вам необходимо знать, что такой тоннель, характеризующийся изгибами в пространстве-времени, является настолько экстремальным, что способен уничтожить вас за долю секунды. Что же, пожалуй, это не самая позитивная новость, которую вы сегодня могли услышать, тем более если всю свою жизнь вы мечтали покататься по Вселенной именно таким экстравагантным способом.
Для того, чтобы подтвердить или опровергнуть подобное общепризнанное мнение о червоточинах, авторы статьи, опубликованной в журнале ArXiv, нашли способ построить почти устойчивую «кротовую нору», которая хотя и подвергается постепенному сжатию, сможет пропустить сквозь себя передаваемую информацию и даже вещи. Для того, чтобы создать такой универсальный транспортировщик, нам «всего-то» нужно найти пару черных дыр и несколько бесконечно длинных космических струн.
Что такое червоточина?
Самым первым мечтателем, а заодно и создателем идеи построить мост из одной точки Вселенной в другую, стал американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер. Именно Уилер придумал такое понятие, как «кротовая нора» (wormhole), которое со временем перешло во все языки мира. По сути, кротовая нора — это гипотетическая особенность в полотне пространства-времени соединять две абсолютно разные области во Вселенной.
В принципе, построить червоточину довольно просто. Согласно Общей Теории Относительности Эйнштейна, масса и энергия гипотетического объекта сильно деформируют структуру пространства-времени, из-за чего особая конфигурация материи и энергии позволяет образовать туннель, короткий путь между двумя другими отдаленными частями Вселенной.
Создание пространственного тоннеля могло бы открыть невероятные возможности для человека при освоении Вселенной
К сожалению, даже на бумаге кротовые норы являются крайне нестабильными объектами. Даже одна элементарная частица (фотон), проходящий через червоточину, вызывает катастрофический каскад, который разрывает червоточину на части. Однако некоторая доза отрицательной материи может противодействовать дестабилизирующим эффектам регулярной материи, пытающейся пройти через червоточину, делая ее проходимой.
Если же материи с отрицательным зарядом не существует, то есть еще один вариант создания кротовой норы. Для этого, нам всего лишь потребуется соединить черную дыру с белой дырой. Когда эти два странных объекта соединяются, они образуют совершенно новую субстанцию — червоточину. Есть только одна проблема в этом гениальном плане — белых дыр не существует.
Несмотря на возможное существование белых дыр, такой объект существует в настоящее время только на бумаге ученых
Поскольку белых дыр в природе не существует, нам нужен новый план. К счастью, некоторые умные математики показывают возможный ответ: таким объектом может быть заряженная черная дыра. Для того, чтобы из гигантского черного монстра сделать послушный и безобидный телепорт, нам всего лишь потребуется придать ему электрический заряд. Внутри заряженной черной дыры может находиться странное место, с относительно стабильным уровнем сингулярности, что позволит нам образовать мост к другой противоположно заряженной черной дыре.
Для того, чтобы все это сработало, нам нужно убедиться, что две заряженные черные дыры находятся на безопасном расстоянии друг от друга. Для того, чтобы держать черные дыры на определенном расстоянии, мы можем использовать космические струны, которые представляют из себя специфические трещины в ткани пространства-времени. Эти трещины образовались в самом начале становления Вселенной после Большого Взрыва, но, как и многое в нашем мире, пока еще остаются только гипотетическими объектами.
Несмотря на то, что космические струны остаются гипотетическими структурами, ученые уже надеются создать с их помощью «кротовые норы»
Если пронзить черные дыры подобной космической струной, то напряжение в струне может предотвратить притяжение заряженных черных дыр друг к другу. По сути, такое грандиозное космическое представление может напоминать упражнение по перетягиванию каната. Выполнив столь «нехитрое» упражнение, человечество сможет получить вполне себе стабильный и относительно безопасный по космическим меркам вид транспорта.
Возможно ли все вышеописанное выполнить в реальности? Что же, давайте попробуем порассуждать об этом в нашем Telegram-чате.
# чтиво | 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. 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.