Кротовые норы. Наука в фильме "Интерстеллар": кротовые норы, черные дыры, пространство-время

В космическом пространстве есть много интересного, что пока непостижимого для человека. Мы знаем теорию о черных дырах и даже знаем, где они находятся. Однако больший интерес представляют кротовые норы, с помощью которых киноперсонажи за секунды перемещаются по Вселенной. Как работают эти туннели и почему человеку лучше в них не лезть?

Следующая новость

Фильмы «Звездный путь», «Доктор Кто» и вселенную «Марвел» объединяет одна деталь: путешествия через пространство с огромной скоростью. Если сегодня до Марса лететь минимум семь месяцев, то в мире фантастики это можно сделать за доли секунды. Скоростные путешествия осуществляются с помощью так называемых кротовых нор (червоточин) - это гипотетическая особенность пространства-времени, представляющая собой «туннель» в пространстве в каждый момент времени. Чтобы понять принцип работы «норы», стоит лишь вспомнить Алису из «Зазеркалья». Там роль червоточины играло зеркало: Алиса могла мгновенно оказаться в другом месте, лишь коснувшись его.

На картинке внизу показан принцип работы туннеля. В фильмах происходит так: персонажи садятся в космолет, быстро долетают до портала и, войдя в него, тут же оказываются в нужном месте, например, на другом краю Вселенной. Увы, даже в теории это работает иначе.

Общая теория относительности допускает существование таких туннелей, но пока астрономам не удалось найти ни одного. Если верить теоретикам, первые кротовые норы имели размер меньше метра. Можно допустить, что с расширением Вселенной увеличивались и они. Но перейдем к основному вопросу: даже если кротовые норы существуют, почему использовать их - очень плохая идея? Астрофизик Пол Саттер объяснил, в чем проблема червоточин и почему человеку лучше туда не лезть.

Теория кротовой норы

Сначала стоит выяснить принцип действия черных дыр. Представьте шар на натянутой эластичной ткани. По мере приближения к центру он уменьшается в размере и одновременно становится более плотным. Ткань под его тяжестью прогибается все сильнее, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним, а шар пропадает из поля зрения. В самой черной дыре искривление пространства-времени бесконечно - такое состояние физики называют сингулярностью. В нем нет ни пространства, ни времени в человеческом понимании.

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.

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).

Почему вам не нужно в кротовую нору

В теории белых дыр не все так просто. Во-первых, не понятно, как именно попасть в белую дыру из черной. Расчеты вокруг червоточин показывают, что они крайне нестабильны. Кротовые норы могут испариться или «выплюнуть» черную дыру и опять же загнать в ловушку.

Если космический корабль или человек попадет черную дыру, он там застрянет. Пути назад не будет - со стороны черной дыры точно, ведь он не увидит горизонт событий. Но несчастный может попробовать найти белую дыру? Нет, ведь он не видит границ, поэтому ему придется «падать» в сторону сингулярности черной дыры, которая может иметь доступ к сингулярности белой. А может и не иметь.

человек поделились статьей

Следующая новость

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

Теория червоточин, или «кротовые норы»

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

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

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

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

Через червоточину

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

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

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

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

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

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

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

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

По материалам сайта Space.com

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Теория струн

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

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

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

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

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

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

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

Перспективы гравитационно-волновой и нейтринной астрономии

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

С другой стороны активно развиваются традиционные астрометрические обсерватории, которые сейчас охватывают весь электромагнитный спектр. Подобные обсерватории могут обнаружить неожиданные объекты или явления в ранней Вселенной (первые межзвездные облака,

В научной фантастике червоточины , или кротовые норы , представляют собой метод, часто используемый для путешествий на очень большие расстояния в космосе. Действительно ли эти волшебные мосты могут существовать?

При всём моём энтузиазме относительно будущего человечества в космосе, есть одна очевидная проблема. Мы - мягкие мясные мешочки, состоящие в основном из воды, а те другие так далеки от нас. Даже при самых оптимистичных технологиях космических полётов мы можем себе представить, что никогда не достигнем другой звезды за время, равное продолжительности человеческой жизни.

Реальность говорит нам о том, что даже самые близкие к нам звёзды непостижимо далеки, и потребуется огромное количество энергии или времени, чтобы совершить это путешествие. Реальность говорит нам, что нам нужен космический корабль, который может как-то лететь сотни или тысячи лет, пока на нём рождаются астронавты, поколение за поколением, проживают свои жизни и умирают при перелёте к другой звезде.

Научная фантастика, с другой стороны, приводит нас к методам построения усовершенствованных двигателей. Врубай варп-двигатель и наблюдай, как звёзды проносятся мимо, совершая путешествие к Альфе Центавра также быстро и с удовольствием, как и в круизе на корабле где-то в море.

Кадр из фильма "Интерстеллар".

А знаете, что ещё проще? Червоточина; магический тоннель, соединяющий две точки пространства и времени между собой. Просто задайте пункт назначения, подождите, пока звёздные врата стабилизируются и просто пролетите... пролетите к своему пункту назначения через полгалактики.

Да, это действительно прикольно! Кому-то бы следовало изобрести эти червоточины, вступив в смелое новое будущее межгалактических путешествий. Что же такое червоточины, и как скоро я смогу их использовать? Спросите вы...

Кротовая нора, также известная как мост Эйнштейна-Розена - это теоретический метод сворачивания пространства и времени таким образом, что вы можете соединить две точки в космосе вместе. Тогда вы могли бы мгновенно перемещаться из одного места в другое.

Мы будем использовать классическую демонстрацию из , где вы рисуете линию между двумя точками на листе бумаги, а затем складываете бумагу и вставляете карандаш в эти две точки, чтобы сократить путь. Это прекрасно работает на бумаге, но реальная ли это физика?

Альберт Эйнштейн, запечатлённый на фотографии 1953 года. Фотограф: Рут Оркин.

Как учил нас Эйнштейн, гравитация - это не сила, которая притягивает материю как магнетизм, на самом деле это искривление пространства-времени. Луна думает, что она просто следует по прямой линии через пространство, но на самом деле она следует по искривлённой траектории, созданной гравитацией Земли.

И поэтому, по словам физиков Эйнштейна и Натана Розена, вы могли бы свить клубок пространства-времени настолько плотный, что две точки находились бы в одном и том же физическом местоположении. Если бы вы смогли поддерживать кротовую нору в стабильном состоянии, вы смогли бы безопасно разделять эти две области пространства-времени так, чтобы они всё ещё были в одном и том же местоположении, но разделены расстоянием, как вам нравится.

Спускаемся вниз гравитационного колодца с одной стороны червоточины, а затем молниеносно появляемся в другом месте на расстоянии в миллионы и миллиарды световых лет. Хотя создание червоточин теоретически возможно, они практически невозможны от того, что мы в настоящее время понимаем.

Первая большая проблема состоит в том, что кротовые норы непроходимы, согласно Общей Теории Относительности. Так что имейте это в виду, физика, которая предсказывает эти вещи, запрещает их использование в качестве метода транспортировки. Что является довольно серьёзным ударом по ним.

Художественная иллюстрация космического корабля, движущегося через червоточину в далёкую галактику. предоставлено: NASA.

Во-вторых, даже если червоточину можно будет создать, она скорее всего будет нестабильна, мгновенно закрываясь после создания. Если бы вы попытались зайти в один её конец, вы могли бы просто провалились в .

В-третьих, если они проходимы, и можно поддерживать их стабильными, как только любая материя попытается пройти через них - даже фотоны света - это бы разрушило кротовую нору.

Есть проблеск надежды, так как физики до сих пор не придумали, как объединить теории гравитации и квантовой механики. Это значит, что сама Вселенная может знать что-то о червоточинах, которые мы ещё не понимаем. Возможно, что они были созданы естественным образом как часть , когда пространство-время всей Вселенной было стянуто в сингулярность.

Астрономы предложили искать кротовые норы в космосе, глядя, как их гравитация искажает свет звёзд за ними. Ни одна ещё не объявилась. Одна из возможностей заключается в том, что червоточины выглядят естественно как виртуальные частицы, которые, как мы знаем, существуют. Только они были бы непостижимо малы, планковского масштаба. Вам понадобится космический корабль поменьше.

Одним из самых интересных следствий червоточины является то, что они могли бы вам позволить ещё и путешествовать во времени. Вот как это работает. Во-первых, создайте червоточину в лаборатории. Затем возьмите один её конец, положите в него космический корабль и летите на значительной доли скорости света, так что вступит в силу эффект замедления времени.

Для людей на космическом корабле пройдёт всего лишь несколько лет, в то время как на Земле сменятся сотни или даже тысячи поколений людей. Предполагая, что вы могли бы поддерживать червоточину стабильной, открытой и проходимой, тогда путешествие через неё было бы очень интересным.

Если вы прошли в одном направлении, вы бы не только прошли расстояние между кротовыми норами, но и переместились бы вперёд во времени, а на обратном пути: назад во времени.

Некоторые физики, такие как Леонард Сасскинд полагают, что это не сработает, потому что это бы нарушило два фундаментальных принципа физики: закон сохранения энергии и принцип неопределённости энергии-времени (Гейзенберга).

К сожалению, кажется, что в обозримом будущем червоточины должны будут оставаться в области научной фантастики, а может и навсегда. Даже если возможно будет создать кротовую нору, вам нужно будет поддерживать её стабильной, открытой, а затем вычислить, как позволить материи пройти в неё без коллапса. Всё-таки, если бы вы смогли вычислить это, вы сделали бы космические путешествия очень удобными.

Название прочитанной вами статьи "Что такое червоточины, или кротовые норы?" .