Червоточина в космосе что это
Что такое червоточина (кротовина)?
Червоточины до сих пор остаются предметом научной фантастики. (Изображение предоставлено: Shutterstock)
Червоточина (кротовая нора, или кротовина) – это особое решение уравнений, описывающих общую теорию относительности Эйнштейна, которая соединяет две далекие точки в пространстве или времени туннелем. В идеале длина этого туннеля короче, чем расстояние между этими двумя точками, что делает червоточину своего рода сокращением пути. Хотя червоточины являются основным продуктом научной фантастики и захватили воображение людей, они, насколько нам известно, являются лишь гипотетическими. Это законные решения общей теории относительности, но ученые так и не нашли способа поддерживать стабильную червоточину в реальной Вселенной.
Кто обнаружил червоточину?
Простейшее возможное решение червоточины было открыто Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году, поэтому червоточины иногда называют «мостами Эйнштейна-Розена». Эйнштейн и Розен начали с математического решения черной дыры, которая состоит из сингулярности (точки бесконечной плотности) и горизонта событий (области, окружающей эту сингулярность, за пределы которой ничто не может выйти). Согласно Физике вселенной, они обнаружили, что могут расширить это решение, включив в него полярную противоположность черных дыр: белые дыры. (1)
Эти гипотетические белые дыры также содержат сингулярность, но они действуют, наоборот, по сравнению с черными дырами: ничто не может войти в горизонт событий белой дыры, и любой материал внутри белой дыры немедленно выбрасывается.
Эйнштейн и Розен обнаружили, что теоретически каждая черная дыра связана с белой дырой. Поскольку две дыры будут существовать в разных местах в космосе, туннель червоточина соединит два конца.
Что делает червоточину проходимой?
Чтобы пройти через червоточину, этот туннель в пространстве-времени должен быть устойчивым. (Изображение предоставлено: gremlin / Getty Images)
Однако червоточина, созданная из пары черных и белых дыр, была бы не очень полезной. Во-первых, белые дыры нестабильны. Если бы вы бросили частицу к горизонту событий белой дыры, частица никогда не достигла бы горизонта событий, потому что ничто не может войти в белую дыру. По словам физика из Университета Колорадо Эндрю Гамильтона, энергия системы будет продолжать увеличиваться до бесконечности, в конечном итоге взорвав белую дыру. (2)
Во-вторых, даже если бы белые дыры могли существовать, единственный способ войти в эту червоточину это пересечь горизонт событий черной дыры на другой стороне. Но как только объект пересек горизонт событий, он уже не может покинуть его. Таким образом, объекты могут войти в червоточину, но никогда не выйти. (3)
Наконец, сами червоточины будут нестабильными. По данным Европейской южной обсерватории, одиночный фотон или частица света, проходя через туннель червоточины, привнесет в систему столько энергии, что туннель разорвется на части, разрушив червоточину.
Однако в 1970-х годах физики разработали математику, необходимую для создания стабильной или «проходимой» червоточины, по словам физика из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Хитрость заключается в том, чтобы переместить вход в туннель червоточины за горизонт событий черной дыры и стабилизировать сам туннель, чтобы проходящая через него материя не вызывала немедленного катастрофического коллапса. (4)
Ключевым ингредиентом для стабилизации червоточин является так называемая экзотическая материя или некая форма материи с отрицательной массой. К несчастью для таких червоточин, ученые никогда не находили доказательств отрицательной массы, и это нарушило бы закон сохранения количества движения, согласно которому импульс должен оставаться постоянным, если не применяется сила; объект с отрицательной массой, помещенный рядом с объектом с положительной массой, немедленно ускоряется без источника энергии.
Как выглядят червоточины?
Если бы такая червоточина действительно существовала, это выглядело бы очень странно. Вход был бы сферой, как поверхность планеты. Если вы посмотрите в него, вы увидите свет, идущий с другой стороны. Туннель червоточины может быть любой длины, и, путешествуя по туннелю, вы будете видеть искаженные виды той области вселенной, из которой вы прибыли, и региона, в который вы путешествуете.
Червоточины и путешествия во времени
Теоретически червоточина может также действовать как машина времени. Специальная теория относительности гласит, что движущиеся часы идут медленно. Другими словами, тот, кто мчится со скоростью, близкой к скорости света, не продвинется в собственное будущее так же быстро, как тот, кто стоит на месте.
Если бы ученые могли каким-то образом построить червоточину, сначала два конца были бы синхронизированы во времени. Но если бы один конец затем был ускорен почти до скорости света, этот конец начал бы отставать от другого конца. По словам физика Массачусетского технологического института Эндрю Фридмана, два входа могут быть объединены, но тогда один из входов окажется в прошлом другого. (5)
Чтобы отправиться в прошлое, нужно просто пройти через один конец. Когда вы выйдете из червоточины, вы окажетесь в своем прошлом.
Как образуются червоточины?
Червоточины могут возникать в природе в микроскопических масштабах в квантовой пене. (Изображение предоставлено: Shutterstock)
В настоящее время нет известного способа построить червоточину, и червоточины являются чисто гипотетическими. Хотя экзотическая материя вряд ли существует, может быть другой способ стабилизировать червоточины: отрицательная энергия.
Вакуум пространства-времени заполнен квантовыми полями, фундаментальными квантовыми строительными блоками, которые порождают силы и частицы, с которыми мы сталкиваемся, и эти квантовые поля обладают внутренним количеством энергии. Можно построить сценарии, в которых квантовая энергия в определенной области ниже, чем в ее окружении, что делает эту энергию отрицательной на локальном уровне. Такая отрицательная энергия существует в реальном мире в форме эффекта Казимира, при котором отрицательная квантовая энергия между двумя параллельными металлическими пластинами заставляет пластины притягиваться, по словам Риверсайдского математика Джона Баэса из Калифорнийского университета. (6)
Но никто не знает, можно ли использовать эту отрицательную квантовую энергию для стабилизации червоточины. Это может быть даже не «правильный» вид отрицательной энергии, поскольку она отрицательна только по отношению к окружающей среде, а не в абсолютном смысле.
Червоточины могут возникать естественным образом в микроскопических масштабах в квантовой пене, а мутная природа пространства-времени в самых крошечных масштабах из-за тех же самых квантовых энергий. В этом случае червоточины могут появляться и исчезать постоянно. Но опять же, неясно, как «увеличить» эти червоточины до размеров, достаточных для того, чтобы вы могли пройти через них, и сохранить их стабильными.
Работает экологическим и научным журналистом более 15 лет. Пишет о науке, культуре, космосе и устойчивом развитии. Внештатный автор сайта «Знание – свет».
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.
Червоточины могут быть устойчивыми и представлять собой реальные кратчайшие пути в пространстве-времени
Если бы эти структуры были стабильными, это означало бы, что объект, способный выдерживать все механические нагрузки — мог бы перемещаться с экстремальными скоростями между выходом и входом в червоточину, как это, в частности, изображено в некоторых научно-фантастических произведениях («Интерстеллар», если назвать наиболее заметным за последние несколько лет). Эти пространственно-временные связи известны как «мосты Эйнштейна-Розена».
Метрика Эддингтона-Финкельштейна: создание проходимых червоточин
В научной литературе принято считать, что экстремальные силы внутри червоточины заставляют ее растягиваться и разрываться, как резинка, как только она образуется. Но Альберт Эйнштейн и Натан Розен, пионеры этой теории, построили свою модель червоточины на обычной метрике Шварцшильда, и большинство моделей червоточин используют эту же метрику.
Координаты, используемые в их модели, получены преобразованиями (временной переменной) из координат Шварцшильда. И именно эта трансформация приносит главный ингредиент, приводящий к совершенно иному результату, касающемуся устойчивости объекта.
Пересечение горизонта событий черной дыры
«Хорошо известно, что пробная масса, падающая в черную дыру, не достигает горизонта событий ни при каком конечном значении параметров в рамках метрики Шварцшильда, — говорится в исследовании. — Напротив, мы показываем, что горизонт событий достигается при конечном значении переменной времени в рамках метрики Эддингтона — Финкельштейна«.
«Такое поведение не имеет смысла с переменной времени Шварцшильда, поскольку это было бы похоже на продолжение траектории частицы «за пределами времени«», — заключают исследователи в своей работе. Таким образом, они предполагают, что их модель будет более «логичной», чем предыдущие (общепринятые) модели для объяснения поведения червоточины.
Конечно, это не дает неопровержимых доказательств того, что червоточины стабильны и проходимы. Действительно, есть много других факторов, которые следует учитывать помимо общей теории относительности, которые могут продемонстрировать, что такой объект на самом деле «невозможен» или нестабилен вне математических моделей. Модели, которые, кстати, сами заимствуют ряд ярлыков, навязанных ограничениями нашего понимания пространства-времени и действующих сил.
Что такое червоточины? (Кротовая нора)
Многие ученые и астрономы считают, что червоточины реальны. Многие вещи в астрофизике и теоретической физике никогда не были открыты, но, как говорится, «математика работает», что означает, что они возможны. Считается, что если червоточины действительно существуют, то они являются результатом первобытной микроскопической червоточины, которая была расширена в начале Вселенной, непосредственно после Большого взрыва.
Некоторые люди называют их кратчайшими путями во вселенной, в то время как другие утверждают, что они могут быть средством путешествия во времени. Дело в том, что они увлекательны, сложны и очень запутанны для некоторых людей, даже если они видели «Интерстеллар».
Наука о червоточине
Предложение заключается в том, что два огромных массивных объекта (рты) могут изгибать пространство-время до такой точки, что они соединятся друг с другом через мост (горло). В теории это, конечно, значительно сократило бы время путешествия между этими двумя точками во вселенной, которые могли бы находиться на расстоянии миллиардов световых лет или всего лишь нескольких метрах. Другое, ещё более исключительное объяснение, заключается в том, что червоточины могут не только соединить два отдалённых места в нашей нынешней вселенной, но и фактически связывать другие вселенные!
Это горло может быть прямым маршрутом, или изогнутым путем, который пересекает более высокое измерение с очень далекой «другой стороной». Изогнутая двухмерная плоскость обычно является лучшим способом представить себе этот сценарий. Когда два объекта со значительной массой изгибают эту плоскость по направлению к противоположной стороне, теоретически может быть выполнено соединение. Мы говорим «теоретически», потому что, несмотря на то, что червоточины вписываются в принципы общей относительности, никакой червоточины пока не обнаружено.
Теперь вы можете подумать: «Если мы никогда не находили их, то откуда нам знать, что они существуют?». Ну, это хорошая мысль. Многие вещи в астрофизике и теоретической физике никогда не были открыты, но, как говорится, «математика работает», что означает, что они возможны. Считается, что если червоточины действительно существуют, то они являются результатом первобытной микроскопической червоточины, которая была расширена в начале Вселенной, непосредственно после Большого Взрыва.
Итак, исходя из предположения, что кротовые норы могут существовать и существуют, вопрос, который волнует всех: когда мы можем начать их использовать? Что ж, своеобразная и экзотическая природа червоточин делает идею их использования очень далекой в будущем. Существует ряд основных проблем с поиском, использованием или даже эксплуатацией червоточин.
Проблема с червоточинами
Мосты Эйнштейна-Розена представляют собой реальную проблему, потому что они разрушаются и исчезают чрезвычайно быстро, поэтому их практически невозможно обнаружить, идентифицировать и изучить. Кроме того, некоторые теоретики утверждают, что червоточины могут происходить на микроскопическом уровне, проскальзывая и исчезая на квантовом уровне существования, который мы в настоящее время не можем наблюдать.
При этом всякий раз, когда возникает проблема или препятствие в теоретической физике, кто-то придумывает решение. Если первичной проблемой с изучением и использованием червоточин является их размер и короткая продолжительность, если эта проблема может быть противопоставлена, то прогресс может быть достигнут. Имея это в виду, существует теория, согласно которой «экзотическая материя» могла бы стабилизировать червоточину, чтобы ее можно было использовать в течение более длительного периода времени и обеспечить большую стабильность.
Кроме того, предсказывается, что во «рту» будет огромное количество радиации и сингулярность определённых червоточин, которые мгновенно окажутся смертельными и уничтожат всё, что приблизится к нему. Интенсивные гравитационные силы также, скорее всего, разорвут на куски любой корабль или человека, прежде чем они смогут пройти через червоточину. Если черная дыра может разорвать звезду, представить невозможно, что она может сделать с человеком.
Существуют ли разные типы червоточин?
Проходимые червоточины: это тип червоточины, в которой люди могут путешествовать через мост пространства-времени несколько раз в обоих направлениях, не нанося никакого вреда. Для того чтобы этот тип червоточины оставался стабильным и открытым, потребуется экзотическая материя, поскольку экзотическая материя будет сопротивляться естественной тенденции червоточины мгновенно сжиматься.
Червоточины Шварцшильда: их можно пройти только в одном направлении, и они являются примером моста Эйнштейна-Розена. После уплотнения до невероятной и конечной плотности в сингулярности вы затем выполните тот же процесс в обратном порядке в устье другой черной дыры.
Возможно ли путешествие во времени через червоточину?
Несмотря на то, что этот вопрос все еще не решен, поскольку до сих пор остается так много нерешенных загадок, когда дело доходит до червоточин, общепринятое мнение заключается в том, что они не позволят путешественникам вернуться во времени. Проще говоря, путешествия во времени кажутся возможными в рамках общей теории относительности, но это не влияет на реалии квантовой физики.
В то время как открытие червоточины станет невероятным моментом в истории астрономии, многие другие, многие другие проблемы и особенности червоточин, скорее всего, помешают людям проверить любую из наших теорий путешествий во времени на десятилетия вперед.