Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] Петров Александр Николаевич

Кротовые норы

Крот недавно прорыл под землей новую длинную галерею от своего жилья к дверям полевой мыши и позволил мыши и девочке гулять по этой галерее сколько угодно.

Ганс Христиан Андерсен «Дюймовочка»

Идея кротовых нор принадлежит Альберту Эйнштейну и Натану Розену (1909–1995). В 1935 году они показали, что ОТО допускает, так называемые, «мосты» – проходы в пространстве, через которые можно, казалось бы, значительно быстрее, чем обычным путем попасть из одной части пространства в другую, или из одной вселенной в другую. Но «мост» Эйнштейна – Розена – динамичный объект, после проникновения в него наблюдателя выходы сжимаются.

А нельзя ли преотвратить сжатие? Оказывается, можно. Для этого необходимо пространство «моста» заполнить особым веществом, препятствующим сжатию. Такие «мосты» называют кротовыми норами, в англоязычном варианте – wormholes (червоточины).

Особое вещество кротовой норы и обычное отличаются тем, что по разному «продавливают» пространство-время. В случае обычной материи его кривизна (положительная), напоминает часть поверхности сферы, а в случае особой материи кривизна (отрицательная) соответствует форме поверхности седла. На рис. 8.6 схематически представлены 2-мерные пространства отрицательной, нулевой (плоские) и положительной кривизны. Поэтому для деформации пространства-времени, которая не позволит кротовой норе сжаться, необходима экзотическая материя, которая создает отталкивание. Классические (не квантовые) законы физики исключают такие состояния материи, а вот квантовые законы, более гибкие, допускают. Экзотическая материя препятствует формированию горизонта событий. А отсутствие горизонта означает, что можно не только попасть в кротовую нору, но и вернуться. Отсутствие горизонта событий также приводит к тому, что путешественник, любитель кротовых нор, всегда доступен телескопам внешних наблюдателей, с ним можно поддерживать радиосвязь.

Рис. 8.6. Двумерные поверхности разной кривизны

Если мы представляем, как образуются черные дыры, то как создаются «кротовые норы» в современную эпоху и создаются ли вообще, совершенно неясно. А с другой стороны, сейчас есть почти общепринятое мнение, что на ранней стадии развития Вселенной кротовых нор было очень много. Предполагается, что перед началом Большого взрыва (о котором мы будем говорить в следующей главе), перед расширением Вселенная представляла собой пространственно-временную пену с очень большими флуктуациями кривизны, перемешанную со скалярным полем. Ячейки пены между собой соединялись. А после Большого взрыва эти ячейки могли остаться соединенными, что и может быть кротовыми норами в нашу эпоху. Этого типа модели обсуждались в публикациях Уилера в середине 1950-х годов.

Рис. 8.7, Кротовая нора в замкнутй вселенной

Итак, имеется принципиальная возможность войти в кротовую нору и выйти наружу в другой точке Вселенной или в другой вселенной (рис. 8.7). Если с помощью достаточно мощного телескопа заглянуть через горловину внутрь кротовой норы, можно увидеть свет далекого прошлого и узнать о событиях, которые случились несколько миллиардов лет назад. Действительно, сигнал из места наблюдения мог долго блуждать по Вселенной, чтобы с обратной стороны войти в кротовую нору и выйти в месте наблюдения. А если кротовые норы на самом деле возникли одновременно с рождением Вселенной, то в таком тоннеле можно увидеть самое далекое прошлое.

Именно с позиций путешествий во времени два известных ученых, признанных специалиста в исследовании черных дыр, Кип Торн из Калифорнийского технологического института и Игорь Новиков из Астрокосмического центра ФИАН в начале 1980-х годов опубликовали серию работ, защищающих принципиальную возможность создания машины времени.

Однако, если вспомнить фантастические романы на эту тему, то в каждом утверждается, что путешествие во времени, скорее всего, будет разрушительным. В серьезной теории оказывается, что никакие разрушительные действия с помощью машины времени Торна и Новикова невозможны. Причинно-следственные связи не нарушаются, все события происходят так, что изменить их нельзя – обязательно возникнет помеха, которая помешает путешественнику во времени убить «бабочку Брэдбери».

Вход в кротовую нору может быть самых разных размеров, нет никаких ограничений – от космических масштабов до размеров, буквально, песчинок. Поскольку кротовая нора – это некий родственник черной дыры, то не стоит в ее строении искать дополнительных измерений. Если это ход куда-то, то на языке геометрии – это сложная топология. Зададим вопрос. Как обнаружить кротовую нору? Снова вспомним, что это родственник черной дыры, тогда вблизи пространство-время должно быть сильно искривлено. Проявления (наблюдаемые и ненаблюдаемые) такого искривления были рассмотрены выше. Однако возможны модели кротовых нор, для которых нет окрестного искривления. Приближаясь к такой «норе», наблюдатель ничего не будет испытывать, зато наткнувшись на нее, упадет как с обрыва. Но такие модели наименее предпочтительны, возникают различные противоречия и натяжки.

Недавно группа наших ученых – Николай Кардашев, Игорь Новиков и Александр Шацкий – пришла к выводу, что свойства экзотической материи, поддерживающей кротовую нору, очень похожи на свойства магнитного или электрического полей. В результате исследований выяснилось, что вход в туннель будет очень похож на магнитный монополь, то есть магнит с одним полюсом. В случае кротовых нор реального монополя-то и нет: у одной горловины кротовой норы магнитное поле одного знака, а у другой – другого, только вторая горловина может быть в другой вселенной. Так или иначе, но магнитных монополей в космосе не обнаружено до сих пор, хотя их поиск ведется непрерывно. Но ищут фактически элементарные частицы с таким свойством. В случае кротовых нор нужно искать магнитные монополи большого размера.

Одной из задач недавно выведенной на орбиту международной обсерватории «РадиоАстрон» как раз является поиск таких монополей. Вот что говорит в одном из своих интервью руководитель проекта Николай Кардашев:

«С помощью этих обсерваторий мы заглянем внутрь черных дыр и проверим, не являются ли они кротовыми норами. Если окажется, что мы увидим лишь пролетающие мимо облака газа и будем наблюдать различные эффекты, связанные с гравитацией черной дыры, искривление траектории света, например, то это будет черная дыра. Если же мы увидим радиоволны, идущие изнут ри, то будет понятно, что это не черная дыра, а кротовая нора. Построим картинку магнитного поля по эффекту Фарадея. Пока для этого не хватало разрешения наземных телескопов. И если окажется, что магнитное поле соответствует монополю, то это почти наверняка «кротовая нора». Но сначала нужно увидеть.

…Сначала предполагаем исследовать сверхмассивные черные дыры в центрах нашей и ближайших галактик. Для нашей – это очень компактный объект с массой в 3 млн солнечных масс. Мы считаем, что это черная дыра, но она может оказаться и «кротовой норой». Есть объекты еще более грандиозные. В частности, в центре самой близкой к нам из массивных галактик М 87 в созвездии Девы есть черная дыра с массой в 3 млрд солнц. Эти объекты – одни из самых главных для исследования «РадиоАстроном». Но не только они. Есть, например, некоторые пульсары, которые могут оказаться двумя входами в одну и ту же «кротовую нору». И третий тип объектов – всплески гамма-излучения, на их месте возникает также кратковременное оптическое и радиосвечение. Мы их наблюдаем время от времени даже на очень больших расстояниях – как для самых далеких видимых галактик. Они очень мощные, и мы пока не вполне понимаем, что это такое. В общем, сейчас подготовлен каталог из тысячи объектов для наблюдения».

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".

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

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...
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....

Кадры из фильма «Интерстеллар» с «кротовой дырой» (2014)

Космическая киноэпопея «Интерстеллар» (речь идет о научно-фантастическом фильме, вышедшем на экраны в октябре 2014 года) рассказывает об астронавтах, которые в поисках вариантов спасения человечества обнаруживают «дорогу жизни», представленную загадочным туннелем.

Данный проход необъяснимым способом появляется возле Сатурна и в пространстве-времени проводит человека к далекой галактике, тем самым предоставляя шанс отыскать планеты, населенные живыми существами. Планеты, которые могут стать для людей вторым Домом.

Гипотезе о существовании киношного туннеля, называемого учеными «червоточиной» или «кротовой норой», предшествовала настоящая физическая теория, которую предложил один из первых ученых астрофизиков и бывший профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн.

Кип Торн помогал и астроному, астрофизику, популяризатору науки и одному из тех, кто инициировал проект по поиску внеземного разума - Карлу Сагану - создавать модель кротовой норы для его романа «Контакт». Убедительность зрительных образов в фильме для специалистов по изучению космоса настолько очевидна, что астрофизики признают: это едва ли не самые точные изображения кротовых нор и черных дыр из всех существующих в мировом кино.

Есть только одна «маленькая» деталька в этом фильме, которая не дает покоя внимательному зрителю: полет в подобном в космическом экспрессе - это, конечно же, здорово, но только вот удастся ли пилотам не дать дуба в процессе этого самого межзвездного перемещения?

Создатели космического блокбастера предпочли не упоминать о принадлежности первоначальной теории кротовых нор другим ведущим теоретикам астрофизики - ее начали разрабатывать еще Альберт Эйнштейн вместе со своим ассистентом Натаном Розеном. Эти ученые пробовали решить уравнения Эйнштейна для общей теории относительности так, чтобы в результате получилась математическая модель всей Вселенной, вместе с силами притяжения и элементарными частицами, которые образуют материю. В процессе всего этого предпринималась попытка вообразить пространство как две соединенные друг с другом «мостами» геометрические плоскости.

Параллельно, но автономно от Эйнштейна подобная работа проводилась другим физиком - Людвигом Фламмом, который в 1916 году, также при решении эйнштейновских уравнений, совершил свое открытие подобных «мостов».

Всех трех «мостостроевцев» постигло общее разочарование, поскольку «теория всего сущего» оказалась нежизнеспособной: подобные «мосты» в теории действовали вовсе не так, как всамделишные элементарные частицы.

Тем не менее в 1935 году Эйнштейном и Розеном была опубликована работа, где ими изложена собственная теория туннелей в пространственно-временном континууме. Данный труд по задумке авторов, очевидно, должен был побудить другие поколения ученых поразмышлять о возможности применения подобной теории.

Физиком из Принстонского университета Джоном Уиллером в свое время было введено в словооборот обозначение «червоточина», которым занимавшиеся в бо-х годах изучением построения моделей «мостов» по теории Эйнштейна-Розена. Уиллер подметил: уж больно такой «мост» напоминает ход, прогрызаемый червяком в плоде. Представим себе муравьишку, ползущего от одной стороны груши к другой, - он способен или проползти по всей изогнутой поверхности, или, сократив дорогу, пересечь плод через тоннель-червоточину.

А если вообразить, что наш трехмерный пространственно-временной континуум представляет собой кожицу груши, что словно изогнутая поверхность охватывает «массу» с гораздо большими размерами? Пожалуй, «мост» Эйнштейна-Розена и есть тот самый туннель, прорезающий эту «массу», он позволяет пилотам звездолетов уменьшить расстояние в пространстве между двумя точками. Вероятно, в данном случае речь идет о настоящем математическом решении общей теории относительности.

По мнению Уилера, устья «мостов» Эйнштейна-Розена весьма напоминают так называемую черную дыру Шварцшильда - простую материю, имеющую сферическую форму и столь высокую плотность, что сила ее притяжения не преодолеваема даже светом. У астрономов есть устойчивое мнение о существовании «черных дыр». Как они полагают, эти образования рождаются, когда «коллапсируют» или затухают весьма массивные звезды.

Насколько аргументированна гипотеза о том, что «черная дыра» - то же самое, что и «кротовая нора» или туннель, позволяющий осуществлять дальние космические перелеты? Может, с точки зрения математики, это утверждение и верно. Но лишь в теории: в подобной экспедиции не останется выживших.

Модель Шварцшильда представляет темную середину «черной дыры» в виде сингулярной точки или центрального нейтрального неподвижного шара с бесконечной плотностью. Расчеты Уиллера показывают последствия произошедшего в случае образования подобной «кротовой норы» тогда, когда две сингулярные точки («черные дыры» Шварцшильда) в двух отдаленных частях Вселенной сойдутся в ее «массе» и создадут туннель между ними.

Исследователь выяснил: подобная «кротовая нора» имеет нестабильную природу: туннель поначалу образуется, а затем схлопывается, после чего остаются снова только две сингулярные точки («черные дыры»). Процедура появления и захлопывания туннеля проходит столь молниеносно, что через него не может проникнуть даже луч света, не говоря уже о пытающемся проскользнуть астронавте - его и вовсе проглотит «черная дыра». Не шутки - речь идет о мгновенной смерти, ибо гравитационные силы сумасшедшей мощности разорвут человека на куски.

«Черные дыры» и «белые пятна»

Торн одновременно с фильмом выпустил книгу «Научные основы фильма „Интерстеллар»». Он в этой работе подтверждает: «Любое тело - живое или неживое - в момент охлопывания туннеля будет раздавлено и разорвано на куски!»

Для другого, альтернативного варианта - вращающейся «черной дыры» Керра - исследователи «белых пятен» в межпланетных путешествиях подыскали иное решение общей теории относительности. У сингулярности внутри «черной дыры» Керра другая, не шаровидная, а кольцеобразная форма.

Ее определенные модели могут дать человеку шанс выжить в межзвездном полете, но лишь в случае прохождения кораблем этой дыры исключительно через центр кольца. Нечто вроде космического баскетбола, только цена попадания здесь - не дополнительные очки: на кону - существование звездолета вместе с его экипажем.

Автор книги «Научные основы фильма „Интерстеллар»» Кип Торн сомневается в состоянии этой теории. Еще в 1987 году он пишет статью про полет через «кротовую нору», где указывает на немаловажную деталь: горловина туннеля Керра имеет весьма ненадежный участок, который называют «горизонт Коши».

Как показывают соответствующие расчеты, едва лишь тело пробует пройти мимо данной точки, туннель схлопывается. Причем и при условии некой стабилизации «кротовой норы», она, как гласит квантовая теория, немедленно заполнится быстрыми частицами высокой энергии.

Следовательно, как сунешься в «черную дыру» Керра, так и останется от тебя сухая поджаренная корочка.

Причина — «жуткое дальнодействие»?

Дело в том, что физики пока не приспособили классические законы гравитации к квантовой теории - данный раздел математики слишком труден для понимания, и многими учеными ему так и не дано точное определение.

Одновременно принстонский ученый Хуан Мальсадена и его коллега из Стэнфорда Леонард Сасскинд предположили, что «кротовые норы», очевидно, - это не что иное, как материальное воплощение запутанности в то время, когда соединяются квантовые объекты - независимо от того, удалены ли они друг от друга.

У Альберта Эйнштейна было свое название такой запутанности - «жуткое дальнодействие», великий физик и не думал соглашаться с общепринятой точкой зрения. Несмотря на это, многими экспериментами доказано существование квантовой запутанности. Более того, она уже используется в коммерческих целях - с ее помощью защищается передача данных в режиме онлайн, к примеру банковских операций.

Как считают Мальсадена и Сасскинд, в больших объемах квантовая запутанность в состоянии повлиять на изменение геометрии пространственно-временного континуума и способствовать возникновению «кротовых нор», имеющих форму сцепленных «черных дыр». Но гипотеза этих ученых не допускает возникновения проходимых межзвездных туннелей.

По словам Мальсадены, данные туннели, с одной стороны, не дают возможности летать быстрее скорости света, а с другой - могут помочь астронавтам все же встретиться там, внутри, с кем-нибудь «иным». Удовольствия, правда, от подобной встречи никакого, поскольку за встречей последует неминуемая гибель от гравитационного удара в центре «черной дыры».

Словом, «черные дыры» - реальная преграда на пути освоения человеком космоса. В таком случае, что могут представлять собой «кротовые норы»? Как полагает ученый Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Ави Леб, у людей на данный счет имеется множество вариантов: раз отсутствует теория, объединяющая общую теорию относительности с квантовой механикой, мы не в курсе всего набора возможных пространственно-временных структур, где возможно появление «кротовых нор».

Они коллапсируют

Но тут тоже не все так просто. Тот же Кип Торн в 1987 году установил особенность для любой «кротовой норы», соответствующей общей теории относительности, коллапсировать в случае, если ее не попробовать удержать в открытом состоянии за счет так называемой экзотической материи, имеющей отрицательную энергию или антигравитацию. Торн уверяет: факт существования экзоматерии можно установить экспериментальным путем.

Эксперименты покажут, что квантовые флуктуации в вакууме, очевидно, способны создавать отрицательное давление между двумя зеркалами, которые помещены совсем рядом.

В свою очередь, как считает Ави Леб, если наблюдать так называемую темную энергию, то эти исследования дадут еще больше оснований увериться в существовании экзотической материи.

Ученый Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики говорит, что «…мы видим, как на протяжении недавней космической истории галактики удаляются от нас со скоростью, возрастающей во времени, как будто на них действует антигравитация - такое ускоряющееся расширение Вселенной можно объяснить, если Вселенная заполнена субстанцией с отрицательным давлением, именно тем материалом, который нужен для возникновения кротовой норы…».

Вместе с тем и Леб, и Торн полагают, что даже если «кротовая нора» в состоянии появиться естественным путем, то для этого потребуется масса экзотической материи. На накопление подобного энергетического запаса и последующей стабилизации такого туннеля будет способна лишь высокоразвитая цивилизация.

Во взглядах на данную теорию также «в товарищах согласья нет». Вот что, к примеру, думает о выводах Леба и Торна их коллега Мальсадена:

«…Полагаю, что идея стабильной проходимой кротовой норы недостаточно вразумительна и, судя по всему, не соответствует известным законам физики…» Сабина Хоссенфельдер из Скандинавского института теоретической физики в Швеции и вовсе разбивает выводы Леба-Торна в пух и прах: «…У нас нет абсолютно никаких доказательств существования экзотической материи. Более того, существует широко распространенное мнение, что она существовать не может, потому что, если бы она существовала, вакуум был бы нестабильным…»

Даже в случае существования подобной экзотической материи, развивает свою мысль Хоссен-фелъдер, передвигаться внутри нее было бы делом крайне неприятным: каждый раз ощущения находились бы в прямой зависимости от степени кривизны пространственно-временной структуры вокруг туннеля и от плотности энергии внутри него. Сабина Хоссенфельдер делает вывод:

«…Это очень похоже на „черные дыры»: слишком велики приливообразующие силы - и человека разорвет на куски…»

Парадоксально, но, невзирая на свой вклад в создание фильма «Interstellar», Торн тоже не особенно верит в то, что подобный проходимый туннель может когда-нибудь появиться. А в возможность прохождения через него (безо всякого вреда!) - астронавтов - и подавно. Он сам в этом признается в своей книге:

«…Если они [тоннели] и могут существовать, то я очень сомневаюсь, что они могут возникнуть в астрофизической Вселенной естественным образом…»

…Вот и верь после этого научно-фантастическим фильмам!

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В фантастических романах описываются целые транспортные сети, соединяющие звездные системы и исторические эпохи, так называемые порталы, машины времени. Но гораздо более удивительным представляется то, что машины времени и тоннели в пространстве вполне серьезно, как гипотетически возможные, активно обсуждаются не только в статьях по теоретической физике, на страницах солидных научных изданий, но и в средствах массовой информации. Появилось много сообщений об открытии учеными неких гипотетических объектов, называемых «кротóвыми норами».

Подбирая материал к НПК по теме «Чёрные дыры», мы столкнулись с понятием «Кротóвые норы». Данная тема нас заинтересовала, и мы провели сравнение между ними.

Цель работы: Сравнительный анализ чёрных дыр и кротóвых нор.

Задачи: 1. Собрать материал о чёрных дырах и кротóвых норах;

2. Сделать подробный анализ полученной информации;

3. Сравнить чёрные дыры и кротóвые норы;

4. Создать познавательный фильм для учащихся.

Гипотеза: Возможно ли путешествие в пространстве-времени благодаря кротóвым норам.

Объект исследования: литература и другие ресурсы о кротóвых норах и чёрных дырах.

Предмет исследования: версии о существовании кротовых нор.

Методы: изучение литературы; использование Интернет-ресурсов.

Практическая значимость данной работы заключается в том, чтобы собранный материал использовать в учебных целях на уроках физики и во внеклассных занятиях по этому предмету.

В представленной работе использовались материалы научных статей, периодической печати, ресурсы сети Интернет.

Глава 1. Историческая справка

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.

Теоретически кротóвая нора состоит из двух входов и горловины (то есть того самого туннеля). Входы в кротóвые норы представляют сфероидальную форму, а горловина может представлять, как прямой отрезок пространства, так и спиральный.

Долгое время эта работа не вызывала у астрофизиков большого интереса. Но в 90-е годы XX века интерес к таким объектам начал возвращаться. Прежде всего, возвращение интереса было связано с открытием в космологии темной энергии.

Англоязычным термином, который с 90-х годов прижился для «кротóвых нор» стал «wormhole» (вормхол), но первыми предложили этот термин еще в 1957 году американские астрофизики Мизнер и Уилер. На русский язык «wormhole» переводится как «червячная дыра». Такой термин не нравился многим русскоговорящим астрофизикам, и в 2004 году было принято решение провести голосование по различным предложенным терминам для таких объектов. Среди предложенных терминов были такие как: «червячная нора», «вормхол», «червоточина», «мост», «кротóвая нора», «туннель» и т.д. В голосовании участвовали русскоговорящие астрофизики, имеющие научные публикации по этой тематике. В результате этого голосования победил термин «кротовая нора».

В физике концепция кротовых нор возникла в 1916 г. ‒ всего через год после того, как Эйнштейн опубликовал свой великий труд ‒ общую теорию относительности. Физик Карл Шварцшильд, служивший тогда в кайзеровской армии, нашел точное решение уравнений Эйнштейна для случая изолированной точечной звезды. Вдалеке от звезды ее гравитационное поле очень похоже на поле обычной звезды; Эйнштейн даже воспользовался решением Шварцшильда при вычислении отклонения траектории света около звезды. Результат Шварцшильда произвел немедленное и очень сильное действие на все разделы астрономии, и сегодня он по-прежнему остается одним из самых известных решений уравнений Эйнштейна. Несколько поколений физиков использовали гравитационное поле этой гипотетической точечной звезды в качестве приближенного выражения для поля вокруг реальной звезды с конечным диаметром. Но если рассмотреть это точечное решение серьезно, то в центре его неожиданно обнаружится чудовищный точечный объект, который почти столетие изумлял и шокировал физиков, ‒ черная дыра.

Глава 2. Кротовая нора и черная дыра

2.1. Кротовая нора

Крото́вая нора́ ‒ предполагаемая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве.

Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной». Различают проходимые и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которые коллапсируют (разрушаются) слишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал успели добраться от одного входа до другого.

Разгадка кроется в том, что согласно эйнштейновской теории тяготения ‒ общей теории относительности (ОТО) четырехмерное пространство-время, в котором мы живем, искривлено, а знакомая всем гравитация и есть проявление такого искривления. Материя «прогибает», искривляет пространство вокруг себя, и ‒ чем она плотнее, тем сильнее искривление.

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.

Кротовые норы, через которые может проходить свет и другая материя в обе стороны, называются проходимыми кротовыми норами. Существуют и непроходимые кротовые норы. Это такие объекты, которые внешне (на каждом из входов) являются как бы черной дырой, но внутри такой черной дыры нет сингулярности (сингулярностью в физике называют бесконечную плотность материи, которая разрывает и уничтожает любую другую материю, попадающую в нее). При этом свойство сингулярности обязательно для обычных черных дыр. А сама черная дыра определяется наличием у неё поверхности (сферы), из-под которой наружу не может вырваться даже свет. Такая поверхность называется горизонтом черной дыры (или горизонтом событий).

Таким образом, материя может попасть внутрь непроходимой кротовой норы, но выйти из нее уже не может (очень похоже на свойство черной дыры). Могут существовать и полупроходимые кротовые норы, в которых материя или свет может проходить по кротовой норе только в одну сторону, но не может проходить в другую.

Особенностями кротовых нор являются следующие характеристики:

Кротовая нора должна соединять между собой две не искривленные области пространства. Место соединения и называется кротовой норой, а его центральный участок ‒ горловиной кротовой норы. Пространство вблизи горловины кротовой норы достаточно сильно искривлено.

Кротовая нора может соединять либо две разные Вселенные, либо одну и ту же Вселенную в разных частях. В последнем случае расстояние через кротовую нору может оказаться короче, чем расстояние между входами, измеренное снаружи.

Понятия времени и расстояния в искривленном пространстве-времени перестают быть абсолютными величинами, т.е. такими, какими мы подсознательно всегда привыкли их считать.

Исследование моделей кротовых нор показывает, что для их стабильного существования в рамках теории относительности Эйнштейна необходима экзотическая материя. Иногда такую материю называют еще фантомной. Для стабильного существования кротовой норы достаточно сколько угодно малого количества фантомной материи - скажем всего 1 миллиграмм (а может и еще меньше). В этом случае остальная часть материи, поддерживающая кротовую нору, должна удовлетворять условию: сумма плотности энергии и давления равна нулю. А в этом ничего необычного уже нет: даже самое обыкновенное электрическое или магнитное поле удовлетворяет этому условию. Это как раз именно то, что нужно для существования кротовой норы со сколько угодно малой добавкой фантомной материи.

2.2. Черная дыра

Чёрная дыра ‒ область в пространстве-времени. Гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий.

Теоретически, возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна. Первое было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное». Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары», а также «застывшие звёзды».

Различают четыре сценария образования чёрных дыр:

два реалистичных:

гравитационный коллапс (сжатие) достаточно массивной звезды;

коллапс центральной части галактики или протогалактического газа;

и два гипотетических:

формирование чёрных дыр сразу после Большого Взрыва (первичные чёрные дыры);

возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.

Условия, при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению.

Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне.

25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра.

Исследователи чёрных дыр различают первичные чёрные дыры и квантовые. Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе ‒ их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр. В результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации.

Заключение

Если кротовая нора является непроходимой, то внешне ее практически невозможно отличить от черной дыры. На сегодняшний день теория физики кротовых нор и черных дыр является чисто теоретической наукой. Кротовые норы - это топологические особенности пространства-времени, описанные в рамках специальной теории относительности Эйнштейном в 1935 году.

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.

Проанализировав всю найденную информацию, мы узнали, чем отличаются кротовые норы от черных дыр и пришли к выводу, что мир космоса еще очень мало изучен, и человечество стоит на пороге новых открытий и возможностей.

На основе проделанного исследования был создан учебный фильм «Кротовые норы и Черные дыры», который используется на уроках астрономии.

Список использованных источников и литературы

Бронников, К. Мост между мирами / К. Бронников [Электронный ресурс] // Вокруг света. 2004. Май. - Режим доступа // http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/355/ (18.09.2017).

Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BD%D0%BE%D1%80%D0%B0 (30.09.2017);

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0 (30.09.2017).

Зима, К. «Кротовая нора» - коридор времени / К. Зима // Вести.ru [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.vesti.ru/doc.html?id=628114 (20.09.2017).

Кротовые норы и Черные дыры [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://ru.itera.wikia.com/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D0%BD%D0%BE%D1%80%D1%8B_%D0%B8_%D0%A7%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D1%8B (30.09.2017).

Кротовые норы. Популярная наука с Анной Урманцевой [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.youtube.com/watch?v=BPA87TDsQ0A (25.09.2017).

Кротовые норы пространства. [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.youtube.com/watch?v=-HEBhWny2EU (25.09.2017).

Лебедев, В. Человек в кротовой норе (обзор) / В. Лебедев // Лебедь. Независимый альманах. [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://lebed.com/2016/art6871.htm (30.09.2017).

Сквозь червоточину, Есть ли край у вселенной. [Электронный ресурс]. - Режим доступа // https://donetskua.io.ua/v(25.09.2017).

Черная дыра [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://ru-wiki.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0 (30.09.2017).

Черные дыры. Вселенная [Электронный ресурс]. - Режим доступа // https://my.mail.ru/bk/lotos5656/video/_myvideo/25.html (25.09.2017).

Что такое кротовая нора. Чтиво [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://hi-news.ru/research-development/chtivo-chto-takoe-krotovaya-nora.html (18.09.2017).

Шацкий, А. Кротовые норы: что это - миф, врата в другие миры или математическая абстракция? [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.znanie-sila.su/?issue=zsrf/issue_121.html&r=1 (18.09.2017).

Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия [Текст] / Глав. ред. М. Аксёнова; метод. ред. В. Володин, А. Элиович. - М.: Аванта, 2004. С. 412-413, 430-431, 619-620.

Пространственные червоточины. Кротовые норы в космосе