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

Кротовые норы

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».

На публикацию работу с основными уравнениями общей теории относительности (ОТО). Позднее стало понятно, что новая теория гравитации, которой в 2015 году исполняется сто лет, предсказывает существование черных дыр и пространственно-временных тоннелей. О них и расскажет «Лента.ру».

Что такое ОТО

В основе ОТО лежат принципы эквивалентности и общей ковариантности. Первое (слабый принцип) означает пропорциональность инертной (связанной с движением) и гравитационной (связанной с тяготением) масс и позволяет (сильный принцип) в ограниченной области пространства не различать гравитационное поле и движение с ускорением. Классический пример - лифт. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.

Второй принцип (общей ковариантности) предполагает сохранение уравнениями ОТО своего вида при преобразованиях специальной теории относительности, созданной Эйнштейном и другими физиками к 1905 году. Идеи эквивалентности и ковариантности привели к необходимости рассмотрения единого пространства-времени, которое искривляется в присутствии массивных объектов. Это отличает ОТО от классической теории тяготения Ньютона, где пространство всегда плоское.

ОТО в четырехмерии включает в себя шесть независимых дифференциальных уравнений в частных производных. Для их решения (нахождения явного вида метрического тензора, описывающего кривизну пространства-времени) необходимо задание граничных и координатных условий, а также тензора энергии-импульса. Последний описывает распределение материи в пространстве и, как правило, связан с используемым в теории уравнением состояния. Кроме того, уравнения ОТО допускают введение в них космологической постоянной (лямбда-члена), с которой часто связывают темную энергию и, вероятно, отвечающее ей скалярное поле.

Черные дыры

В 1916 году немецкий математический физик Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений ОТО. Оно описывает гравитационное поле, созданное центрально-симметричным распределением масс с нулевым электрическим зарядом. Это решение содержало так называемый гравитационный радиус тела, определяющий размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны (движущиеся со скоростью света кванты электромагнитного поля).

Определенная таким образом шварцшильдова сфера тождественна понятию горизонта событий, а массивный ограниченный ею объект - черной дыре. Восприятие приближения к нему тела в рамках ОТО различается в зависимости от позиции наблюдателя. Для связанного с телом наблюдателя достижение шварцшильдовой сферы произойдет за конечное собственное время. Для внешнего наблюдателя приближение тела к горизонту событий займет бесконечное время и будет выглядеть как его неограниченное падение на шварцшильдову сферу.

Советские физики-теоретики также внесли свой вклад в теорию нейтронных звезд. В статье 1932 года «К теории звезд» Лев Ландау предсказал существование нейтронных звезд, а в работе «Об источниках звездной энергии», опубликованной в 1938 году в журнале Nature, предположил существование звезд с нейтронным ядром.

Как массивные объекты превращаются в черные дыры? Консервативный и наиболее признанный в настоящее время ответ на этот вопрос дали в 1939 году физики-теоретики Роберт Оппенгеймер (в 1943 году он стал научным руководителем Манхэттенского проекта, в рамках которого в США была создана первая в мире атомная бомба) и его аспирант Хартланд Снайдер.

В 1930-х годах астрономы заинтересовались вопросом о будущем звезды, если в ее недрах закончилось ядерное топливо. Для небольших звезд, подобных Солнцу, эволюция приведет к превращению в белых карликов, у которых сила гравитационного сжатия уравновешивается электромагнитным отталкиванием электронно-ядерной плазмы. У более тяжелых звезд гравитация оказывается сильнее электромагнетизма, и возникают нейтронные звезды. Сердцевина у таких объектов - из нейтронной жидкости, а ее покрывает тонкий плазменный слой электронов и тяжелых ядер.

Изображение: East News

Предельное значение массы белого карлика, не дающее ему превратиться в нейтронную звезду, в 1932 году впервые оценил индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Этот параметр вычисляется из условия равновесия вырожденного электронного газа и сил гравитации. Современное значение предела Чандрасекара оценивается в 1,4 солнечной массы.

Верхнее ограничение на массу нейтронной звезды, при которой она не превращается в черную дыру, получило название предела Оппенгеймера-Волкова . Определяется из условия равновесия давления вырожденного нейтронного газа и сил гравитации. В 1939 году получили значение в 0,7 солнечной массы, современные оценки варьируются от 1,5 до 3,0.

Кротовая нора

Физически червоточина (кротовая нора) представляет собой тоннель, связывающий две удаленные области пространства-времени. Эти области могут находиться в одной и той же вселенной или связывать разные точки разных вселенных (в рамках концепции мультивселенной). В зависимости от возможности вернуться сквозь нору обратно их подразделяют на проходимые и непроходимые. Непроходимые дыры быстро закрываются и не позволяют потенциальному путешественнику проделать обратный путь.

С математической точки зрения червоточина - это гипотетический объект, получаемый как особое несингулярное (конечное и имеющее физический смысл) решение уравнений ОТО. Обычно червоточины изображают в виде согнутой двумерной поверхности. Попасть с одной ее стороны на другую можно как обычным способом, так и по соединяющему их тоннелю. В наглядном случае двумерного пространства видно, что это позволяет существенно сократить расстояние.

В двумерии горловины червоточины - отверстия, с которых начинается и заканчивается тоннель - имеют форму окружности. В трехмерии горловина кротовой норы похожа на сферу. Образуются такие объекты из двух сингулярностей в разных областях пространства-времени, которые в гиперпространстве (пространстве большей размерности) стягиваются друг к другу с образованием норы. Поскольку нора - это пространственно-временной тоннель, путешествовать по нему можно не только в пространстве, но и во времени.

Впервые решения уравнений ОТО типа кротовой норы привел в 1916 году Людвиг Фламм. Его работа, описывавшая кротовую нору со сферической горловиной без гравитирующей материи, не привлекла внимания ученых. В 1935 году Эйнштейн и американо-израильский физик-теоретик Натан Розен, не знакомые с работой Фламма, нашли аналогичное решение уравнений ОТО. Ими двигало в этой работе желание объединить гравитацию с электромагнетизмом и избавиться от сингулярностей решения Шварцшильда.

В 1962 году американские физики Джон Уилер и Роберт Фуллер показали, что червоточина Фламма и мост Эйнштейна-Розена быстро схлопываются и потому являются непроходимыми. Первое решение уравнений ОТО с проходимой кротовой норой предложил в 1986 году американский физик Кип Торн. Его червоточина заполнена материей с отрицательной средней плотностью массы, препятствующей закрытию тоннеля. Элементарные частицы с такими свойствами науке пока неизвестны. Вероятно, они могут входить в состав темной материи.

Гравитация сегодня

Решение Шварцшильда - самое простое для черных дыр. Сейчас уже описаны вращающиеся и заряженные черные дыры. Последовательная математическая теория черных дыр и связанных с ними сингулярностей развита в работах британского математика и физика Роджера Пенроуза. Еще в 1965 году в журнале Physical Review Letters он опубликовал статью под названием «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности».

В ней описывается образование так называемой ловушечной поверхности, приводящей к эволюции звезды в черную дыру и возникновению сингулярности - особенности пространства-времени, где уравнения ОТО дают некорректные с физической точки зрения решения. Выводы Пенроуза считаются первым крупным математически строгим результатом ОТО.

Вскоре после этого ученый вместе с британцем Стивеном Хокингом показал, что в далеком прошлом Вселенная находилась в состоянии с бесконечной плотностью массы. Сингулярности, возникающие в ОТО и описанные в работах Пенроуза и Хокинга, не поддаются объяснению в современной физике. В частности, это приводит к невозможности описания природы до Большого взрыва без привлечения дополнительных гипотез и теорий, например, квантовой механики и теории струн. Развитие теории кротовых нор в настоящее время также невозможно без квантовой механики.

- Сергей Владиленович, что же такое кротовая нора?

Совсем строгого определения нет. Такие определения нужны, когда вы доказываете какие-то теоремы, а строгих теорем почти нет, поэтому в основном ограничиваются образными понятиями, картинками. Представьте себе, что мы вынули шар из нашего трехмерного пространства в одной комнате и точно такой же шар вынули в другой комнате, а получившиеся границы этих дыр склеили. Таким образом, когда мы в одной комнате шагнем внутрь этого бывшего шара, ставшего дырой, то вынырнем в другой комнате – из дыры, которая образовалась на месте другого шара. Если бы у нас пространство было бы не трехмерным, а двухмерным – это выглядело бы как лист бумаги, к которому приклеена ручка. Трехмерный аналог и его развитие во времени называется кротовой норой.

- Как вообще изучают кротовые норы?

Это чисто теоретическая деятельность. Кротовые норы никто никогда не видел, и, в общем, пока нет никакой уверенности, что они вообще существуют. Кротовые норы и начинали изучать, отталкиваясь от вопроса: нет ли в природе таких механизмов, которые гарантировали бы нам, что таких нор в природе существовать не может? Этих механизмов не нашли, поэтому можно предположить, что кротовые норы – явление реальное.

- Возможно ли, в принципе, увидеть кротовую нору?

Разумеется. Если в запертой комнате у вас вдруг ниоткуда вылезает человек, то вы наблюдаете кротовую нору. Кротовые норы как объект изучения придумал и пропагандировал американский физик-теоретик Джон Уилер, который с их помощью хотел объяснить, ни много, ни мало, – электрические заряды. Поясним. Описание свободного электрического поля с точки зрения теоретической физики – не очень сложная задача. А вот описать электрический заряд с той же точки зрения очень непросто. Электрический заряд предстает в этом смысле весьма загадочной вещью: какая-то субстанция, отдельная от поля, непонятного происхождения, и непонятно как с ним обращаться в классической физике. Идея же Уилера состояла в следующем. Допустим, у нас есть микроскопическая кротовая нора, которая пронизана силовыми линиями – с одного конца эти линии в нее входят, а с другого – выходят. Сторонний наблюдатель, который не знает, что эти два конца соединены силовыми линиями, такой объект будет воспринимать как простую сферу в пространстве, будет исследовать поле вокруг нее, и оно будет выглядеть так, как поле точечного заряда. Только наблюдателю будет казаться, что это какая-то загадочная субстанция, у которой есть заряд и т.д., а все потому, что он не знает, что на самом деле это – кротовая нора. Конечно, это очень элегантная идея, и многие пытались ее развить, но особенно не продвинулись, потому что электроны – это, все-таки, квантовые объекты, а кротовые норы на квантовом уровне никто, естественно, описывать не умеет. Но если предположить, что гипотеза справедлива, то кротовые норы – более, чем повседневное явление, все, что связано с электричеством, будет завязано, в конечном счете, именно на них.

Экзотическая материя - классическое понятие физики, описывающее любое (как правило, гипотетическое) вещество, которое нарушает одно или несколько классических условий, либо не состоит из известных барионов. Подобные вещества могут обладать такими качествами, как отрицательная плотность энергии или отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Экзотическая материя используется в некоторых теориях, например, в теории о строении кротовых нор. Наиболее известным представителем экзотической материи является вакуум в области с отрицательным давлением, производимым эффектом Казимира.

- Какие бывают кротовые норы?

С точки зрения теоретических путешествий бывают проходимые и непроходимые кротовые норы. Непроходимые – это те, проход через которые разрушается, причем происходит это настолько быстро, что перейти из одного конца в другой никакой объект просто не успевает. Конечно, наиболее интересен для изучения второй вид кротовых нор – проходимые. Есть даже красивая теория, которая гласит: то, что мы привыкли считать сверхмассивными черными дырами в центрах галактик – это на самом деле устья кротовых нор. Теория эта почти не развита и не нашла, естественно, пока никакого подтверждения, она существует, скорее, как некая идея. Суть ее в том, что снаружи от кротовой норы вы только видите, что в центре галактики находится некий сферически симметричный объект, но что он собой представляет – кротовую нору или черную дыру – сказать вы не можете, поскольку находитесь снаружи этого объекта.

Фактически отличить их можно только по одному параметру – массе. Если масса оказывается отрицательной, то это наверняка кротовая нора, а вот если масса положительная, тот тут нужна дополнительная информация, потому что и черная дыра может оказаться кротовой норой. Отрицательная масса вообще – это один из центральных моментов всей истории с кротовыми норами. Потому что для того, чтобы быть проходимой – кротовая нора должна быть заполнена тем, что называется экзотическим веществом – веществом, у которого хотя бы местами, в каких-то точках плотность энергии является отрицательной. На классическом уровне никто никогда такого вещества не видел, но мы точно знаем, что оно в принципе может существовать. Зарегистрированы квантовые эффекты, которые приводят к возникновению такого вещества. Это довольно известный феномен и называется он эффект Казимира. Он был официально зарегистрирован. И связан как раз с существованием отрицательной плотности энергии, что очень вдохновляет.

Эффект Казимира - эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идет о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещенных на близком расстоянии, но эффект Казимира существует и при более сложных геометриях. Причина эффекта – энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нем виртуальных частиц. Эффект был предсказан голландским физиком Хендриком Казимиром в 1948 году, а позднее подтвержден экспериментально.

Вообще, в квантовой науке отрицательная плотность энергии – это довольно распространенная вещь, с которой связано, например, хокинговское испарение. Если же такая плотность существует – мы можем задать следующий вопрос: насколько велика масса черной дыры (параметр создаваемого ею гравитационного поля)? Есть решение этой задачи, которое применимо к черным дырам – то есть объектам с положительной массой, а есть решение, применимое для отрицательной массы. Если экзотической материи в кротовой норе будет достаточно много, то снаружи масса этого объекта будет отрицательной. Поэтому один из главных видов «наблюдений» кротовых нор – это отслеживание объектов, в отношении которых можно предположить, что они имеют отрицательную массу. И если мы такой объект найдем, то с довольно большой долей вероятности можно будет сказать, что это – кротовая нора.

Кротовые норы делятся также на внутримировые и межмировые. Если мы разрушим тоннель между двумя устьями второго вида нор – мы сможем увидеть две совершенно несвязанные между собой вселенные. Такая кротовая нора называется межмировой. Но если мы проделаем то же самое и увидим, что все нормально – мы остались в той же Вселенной, – то перед нами внутримировая кротовая нора. У этих двух видов кротовых нор очень много общего, но есть и важное различие. Дело в том, что внутримировая кротовая нора, если она существует, склонна превращаться в машину времени. Собственно, именно на фоне этого предположения и возник последний всплеск интереса к кротовым норам.

Кротовая нора в представлении художника

©depositphotos.com

В случае внутримировой кротовой норы существует два разных способа взглянуть на соседа: непосредственно через тоннель или окольным путем. Если вы начнете одно устье кротовой норы двигать относительно другого, то в соответствии с хорошо известным парадоксом близнецов, второй человек, вернувшись из путешествия, окажется моложе остававшегося. А с другой стороны, когда вы смотрите через тоннель – вы оба сидите в неподвижных, с вашей точки зрения, лабораториях, у вас ничего не происходит, часы ваши синхронизированы. Таким образом, у вас есть теоретическая возможность нырнуть в этот тоннель и вылезти в момент, который с точки зрения внешнего наблюдателя предшествует тому моменту, когда вы нырнули. Доведенная до соответствующей степени задержка породит возможность такого кругового путешествия в пространстве-времени, когда вы вернетесь в исходное место отправления и пожмете своему предыдущему воплощению руку.

Парадокс близнецов - мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются «доказать» противоречивость специальной теории относительности. Согласно СТО, с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются. С другой стороны, принцип относительности декларирует равноправие инерциальных систем отсчета. На основании этого строится рассуждение, приводящее к кажущемуся противоречию. Для наглядности рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (путешественник) отправляется в космический полет, а второй (домосед) – остается на Земле. Чаще всего «парадокс» формулируется следующим образом:

С точки зрения домоседа, часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому при возвращении они должны отстать от часов домоседа. С другой стороны, относительно путешественника двигалась Земля, поэтому отстать должны часы домоседа. На самом деле братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время. Однако, согласно СТО, отставшими окажутся часы путешественника. В таком нарушении видимой симметричности братьев и усматривается противоречие.

- В чем принципиальная разница кротовой норы и черной дыры?

Прежде всего, надо сказать, что есть два типа черных дыр – те, что образовались в результате коллапса звезд, и те, что существовали изначально, возникли вместе с возникновением самой Вселенной. Это два принципиально разных типа черных дыр. В свое время было такое понятие, как «белая дыра», сейчас оно употребляется редко. Белая дыра – это та же черная, но эволюционирующая вспять по времени. В черную дыру вещество только залетает, а вырваться оттуда не может уже никогда. Из белой дыры, наоборот, вещество только вылетает, но попасть в нее никоим образом нельзя. На самом деле, это очень естественная вещь, если мы вспомним, что Общая Теория Относительности симметрична по времени, а, значит, если есть черные дыры – должны существовать и белые. Их совокупность представляет собой кротовую нору.

Черная дыра в представлении художника

©VICTOR HABBICK VISIONS/SPL/Getty

- Что известно о внутреннем устройстве кротовых нор?

Пока в этом смысле только строятся модели. С одной стороны мы знаем, что появление этой экзотической материи возможно обнаружено даже экспериментально, и все равно остается масса вопросов. Единственная известная мне модель кротовой норы, более-менее согласованная с реальностью – это модель изначально испаряющейся (со времен возникновения Вселенной) кротовой норы. За счет этого испарения такая нора надолго остается проходимой.

- Над чем именно работаете вы?

Я занимаюсь чисто теоретической деятельностью, то, что обобщенно можно назвать причинной структурой пространства-времени – это классическая Теория Относительности, иногда полуклассическая (квантовой пока, как известно, не существует).

В классической нерелятивистской теории можно придумать достаточно убедительные доказательства того, что путешествий во времени быть не может, а вот в ОТО таких доказательств нет. И Эйнштейн, когда только разрабатывал свою теорию, это осознавал. Ему было интересно, нет ли какого-то способа такую возможность исключить. Тогда он с этой задачей не справился, как он сам позже и говорил. И хотя Эйнштейн создал язык для изучения этого вопроса, задача так и оставалась академической. Всплеск интереса к ней случился в конце 1940-х годов, когда Гёдель предложил космологичекую модель, содержащую такие замкнутые кривые. Но поскольку Гёдель всегда предлагал что-то экзотическое – к этому отнеслись с интересом, но без серьезных научных последствий. А потом, где-то в конце прошлого века, благодаря, в основном, фантастике – например, фильму «Контакт» с Джоди Фостер – интерес к теме путешествий во времени с помощью кротовых нор снова возродился. Автор романа, по которому написан сценарий фильма, – это очень известный астроном, популяризатор науки Карл Саган. Он подошел к делу очень серьезно и попросил своего друга, тоже очень известного релятивиста, Кипа Торна, посмотреть возможно ли все, что описано в фильме с точки зрения науки. И тот опубликовал полупопулярную статью в журнале для американских учителей физики «Кротовые норы как орудие изучения Общей Теории Относительности», где рассматривал возможность путешествий во времени сквозь кротовые норы. А надо сказать, что тогда в научной фантастике была популярна идея путешествий сквозь черные дыры. Но он понимал, что черная дыра – объект абсолютно непроходимый – путешествия сквозь них невозможны, поэтому рассматривал кротовые норы как возможность путешествий во времени. Хотя это было известно до этого, но люди почему-то восприняли его выводы как совершенно свежую мысль, и бросились ее исследовать. Причем, акцент был на презумпции того, что машины времени существовать не может, но решили выяснить почему. И довольно быстро пришло понимание, что никаких очевидных возражений против существования такой машины вовсе нет. С тех пор начались уже более масштабные исследования, стали появляться теории. В общем-то, с тех самых пор этим занимаюсь и я.

«Контакт» – научно-фантастический фильм 1997 года. Режиссер – Роберт Земекис. Основной сюжет: Элли Эрроуэй (Джуди Фостер) всю свою жизнь посвятила науке, она становится участницей проекта по поиску внеземного разума. Все попытки поиска внеземных сигналов бесплодны, и будущее ее проекта под угрозой. Элли отчаивается найти поддержку, но неожиданно получает помощь от эксцентричного миллиардера Хэддена. И вот результат – Элли улавливает сигнал. Расшифровка сигнала показывает, что в нем содержится описание технического устройства. Назначение его непонятно, но внутри задумано место на одного человека.

После создания и запуска устройства Элли отправляется в путешествие по системе кротовых нор и переносится, вероятно, на планету в иной звездной системе. Очнувшись там, на берегу моря, она встречает представителя иной цивилизации, который выбрал образ ее покойного отца. Оглянувшись вокруг, героиня понимает, что эта местность воссоздана инопланетным разумом в ее сознании по образу рисунка, нарисованного ею в детстве. Инопланетянин говорит ей, что устройство позволяет организовать систему межзвездных путей сообщения, и Земля отныне становится членом сообщества цивилизаций Вселенной.

Элли возвращается на Землю. С точки зрения сторонних наблюдателей, с ней после запуска установки ничего не произошло, и нашу планету ее тело не покидало. Элли оказывается в парадоксальной ситуации. Будучи ученым, она с точки зрения строгой науки никак не может подтвердить свои слова. Выясняется также и еще одно обстоятельство: видеокамера, прикрепленная к Элли во время путешествия, ничего не записала, но продолжительность пустой записи составила не несколько секунд, а 18 часов…

- Возможно ли «сделать» кротовую нору?

Как раз насчет этого существует строгий научный результат. Это из-за того, что точных результатов по изучению кротовых нор нет. Есть теорема, доказанная уже очень давно, и она говорит вот о чем. Есть такое понятие, как глобальная гиперболичность. В данном случае совершенно неважно, что оно означает, но суть в том, что пока и поскольку пространство глобально гиперболично, кротовую нору создать невозможно – она может существовать в природе, но сделать ее самим не получится. Если глобальную гиперболичность вам нарушить удастся, то, может быть, вы и сможете породить кротовую нору. Но дело в том, что это нарушение само по себе настолько экзотическая вещь, настолько плохо изученная и малопонятная, что побочный результат в виде рождения кротовой норы – это уже сравнительно мелочь по сравнению с самим фактом того, что вам удалось нарушить глобальную гиперболичность. Здесь имеет место очень известная вещь, называемая «принципом строгой космической цензуры», который говорит, что пространство всегда глобально гиперболично. Но это, в принципе, не более, чем пожелание. Нет никаких доказательств верности этого принципа, просто есть некая внутренняя уверенность, присущая многим людям, что пространство-время должно быть глобально гиперболичным. Если это так, кротовую нору создать невозможно – надо искать существующую. Между тем, суровые сомнения в верности принципа космической цензуры были высказаны самим автором – Роджером Пенроузом, но это уже другая история.

- То есть для создания кротовой норы требуются какие-то серьезные энергетические затраты?

Тут очень трудно что-то сказать. Беда в том, что когда у вас нарушается глобальная гиперболичность, то одновременно нарушается и предсказуемость – это практически одно и то же. Вы можете как-то геометрически менять пространство возле себя, например, взять сумку и поставить ее в другое место. Но есть определенные пределы, в которых вы можете это делать, в частности, предел, налагаемый предсказуемостью. Например, иногда вы можете сказать, что произойдет через 2 секунды, а иногда – нет. Грань того, что вы можете или не можете предсказать, как раз и пролегает по глобальной гиперболичности. Если у вас пространство-время глобально гиперболично – вы можете предсказывать его эволюцию. Если мы допускаем, что в какой-то момент оно нарушает глобальную гиперболичность – с предсказуемостью все становится очень плохо. Поэтому возникает удивительная вещь, например, такая, что прямо здесь и сейчас может материализоваться кротовая нора, сквозь которую выскочит лев. Это будет экзотическое явление, но оно не будет нарушать никаких законов физики. А с другой стороны, вы можете затратить кучу сил, денег и ресурсов, чтобы как-то облегчить этот процесс. Но результат все равно будет один и тот же – в обоих случаях вы не знаете, появится кротовая нора или нет. В классической физике мы с этим поделать ничего не можем – захочет, возникнет, не захочет – не возникнет – квантовая же наука никаких подсказок в этом вопросе нам пока не дает.

Принцип «космической цензуры» был сформулирован в 1969 году Роджером Пенроузом в следующей образной форме: «Природа питает отвращение к голой сингулярности». Он гласит, что сингулярности пространства-времени появляются в таких местах, которые, подобно внутренним областям черных дыр, скрыты от наблюдателей. Этот принцип до сих пор не доказан, и есть основания сомневаться в его абсолютной правильности (например, коллапс пылевого облака с большим угловым моментом приводит к «голой сингулярности», но неизвестно, стабильно ли это решение уравнений Эйнштейна относительно малых возмущений начальных данных).

Формулировка Пенроуза (сильная форма космической цензуры) предполагает, что пространство-время в целом является глобально гиперболическим.

Позднее Стивен Хокинг предложил другую формулировку (слабую форму космической цензуры), где предполагается только глобальная гиперболичность «будущего» компонента пространства-времени.

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!

21:11 09/11/2018

👁 1 719

Данный текст представляет собой третью версию моей книги о кротовых норах и . Я постарался сделать ее понятной для максимально-широкого круга читателей. Понимание материала не требует от читателя специального образования, вполне достаточно будет самых общих представлений из курса средней школы и познавательного любопытства. Текст не содержит формул и не содержит сложных понятий. Для упрощения понимания я старался, где можно, использовать поясняющие иллюстрации. Данная версия была дополнена новыми разделами и иллюстрациями. Также в текст были внесены исправления, пояснения и уточнения. Если какой-то из разделов книги покажется читателю скучным или непонятным, то при чтении его можно будет пропустить без особого ущерба для понимания.

Что принято называть “Кротовой норой” в астрофизике

В последние годы в средствах массовой информации появилось много сообщений об открытии учеными неких гипотетических объектов, называемых “кротовыми норами”. Более того, проскакивают даже нелепые сообщения о наблюдательном обнаружении таких объектов. Я даже читал в желтой прессе о практическом использовании неких “кротовых нор”. К сожалению, большинство этих сообщений очень далеки от истины, более того, даже понятие о таких “кротовых норах” часто не имеет ничего общего с тем, что принято называть “кротовыми норами” в астрофизике.

Все это побудило меня к популярному (и в то же время достоверному) изложению теории “кротовых нор” в астрофизике. Но обо всем по порядку.

Сначала немного истории:

Научно-обоснованная теория “кротовых нор” зародилось в астрофизике еще в 1935 году вместе с пионерской работой Эйнштейна и Розена. Но в той пионерской работе “кротовая нора” была названа авторами “мостом” между различными частями Вселенной (английский термин “bridge”). Долгое время эта работа не вызывала у астрофизиков большого интереса.

Но в 90-ые годы прошлого века интерес к таким объектам начал возвращаться. Прежде всего, возвращение интереса было связано с открытием в космологии , но почему и какая тут связь я расскажу чуть позже.

Англоязычным термином, который с 90-ых годов прижился для “кротовых нор” стал “wormhole” (вормхол), но первыми предложили этот термин еще в 1957 году американские астрофизики Мизнер и Уилер (это тот самый Уилер, который считается “отцом” американской водородной бомбы). 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”, “кротовая нора”, “туннель” и т.д. В голосовании участвовали русскоговорящие астрофизики, имеющие научные публикации по этой тематике (в их числе и я). В результате этого голосования победил термин “кротовая нора” и далее я буду писать этот термин без кавычек.

1.Так что же принято называть кротовой норой?

В астрофизике у кротовых нор есть четкое математическое определение, но здесь (ввиду его сложности) я не буду его приводить, а для неподготовленного читателя я попробую дать определение простыми словами.

Можно дать разные определения кротовым норам, но общим для всех определений является свойство, согласно которому кротовая нора должна соединять между собой две неискривленных области пространства. Место соединения и называется кротовой норой, а его центральный участок – горловиной кротовой норы. Пространство вблизи горловины кротовой норы достаточно сильно искривлено. Понятия “неискривленный” или “искривлено” здесь требуют детального пояснения. Но я не буду сейчас это пояснять, а читателя прошу потерпеть до следующего раздела, в котором я и поясню суть этих понятий.

Кротовая нора может соединять либо две разные вселенные, либо одну и ту же вселенную в разных частях. В последнем случае расстояние через кротовую нору (между входами в нее) может оказаться короче, чем расстояние между входами, измеренное снаружи (хотя это вовсе и необязательно).

Далее я буду называть словом “вселенная” (с маленькой буквы) – часть пространства-времени, которое ограничено входами в кротовые норы и в черные дыры, а словом “Вселенная” (с большой буквы) я буду называть все пространство-время, ничем не ограниченное.

Строго говоря понятия времени и расстояния в искривленном пространстве-времени перестают быть абсолютными величинами, т.е. такими, какими мы подсознательно всегда привыкли их считать. Но я придаю этим понятиям вполне физический смысл: речь идет о собственном времени, измеряемым наблюдателем, который свободно двигается (без ракетных или каких-либо других двигателей) почти со световой скоростью (теоретики обычно называют его ультрарелятивистским наблюдателем).

Очевидно, что технически создать такого наблюдателя практически невозможно, но действуя в духе Эйнштейна мы можем представить себе мысленный эксперимент, в котором наблюдатель оседлал фотон (или другую ультрарелятивистскую частицу) и двигается на нем по кратчайшей траектории (как барон Мюнхаузен на ядре).

Тут стоит напомнить, что фотон двигается по кратчайшему пути по определению, такой путь называется в общей теории относительности нулевой геодезической линией. В обычном неискривленном пространстве две точки могут быть соединены только одной нулевой геодезической линией. В случае кротовой норы, соединяющей входы в одной и той же вселенной, таких путей для фотона может быть как минимум два (и оба кратчайшие, но неравные), причем один из этих путей проходит через кротовую нору, а другой не проходит.

Ну вот, вроде я и дал упрощенное определение для кротовой норы простыми человеческими словами (без использования математики). Правда стоит оговориться, что кротовые норы, через которые может проходить свет и другая материя в обе стороны называются проходимыми кротовыми норами (далее я буду называть их просто кротовыми норами). Исходя из слова “проходимые” напрашивается вопрос: а есть-ли непроходимые кротовые норы? Да – есть. 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). Более того, могут быть еще и полупроходимые кротовые норы, в которых материя или свет может проходить по кротовой норе только в одну сторону, но не может проходить в другую.

2.Туннель из кривизны? Кривизны чего?

На первый взгляд кажется весьма привлекательным создание тоннеля кротовой норы из кривого пространства. Но задумавшись начинаешь приходить к абсурдным выводам.
Если вы находитесь в этом тоннеле, то какие стенки могут помешать вам вырваться из него в поперечном направлении?

И из чего эти самые стенки?

Неужели пустое пространство может помешать нам пройти через них?
Или оно не пустое?

Для того чтобы понять это (я даже и не предлагаю это представить) рассмотрим неискривленное гравитацией пространство. Пусть читатель считает, что это обычное пространство, с которым он привык всегда иметь дело, и в котором он живет. Далее такое пространство я буду называть плоским.

Рисунок 1. (оригинальный рисунок автора)
Схематичное изображение искривления двумерного пространства. Цифрами обозначены последовательные стадии перехода: от стадии неискривленного пространства (1) до стадии двумерной кротовой норы (7).

Возьмем в качестве начала некоторую точку “O” в этом пространстве и проведем вокруг нее окружность – см. фигуру №1 на рисунке 1 . Пусть и эта точка, и эта окружность лежат на какой-то плоскости в нашем плоском пространстве. Как всем нам прекрасно известно из школьного курса математики, отношение длины этой окружности к радиусу равно величине 2π, где число π = 3,1415926535….. Более того: отношение изменения длины окружности к соответствующему изменению радиуса также будет равно 2π (далее для краткости будем говорить просто ОТНОШЕНИЕ).

Теперь поместим в нашу точку “O” некоторое тело с массой M. Если верить теории Эйнштейна и экспериментам (которые неоднократно проводились и на Земле, и в солнечной системе), то пространство-время вокруг тела искривится и вышеупомянутое ОТНОШЕНИЕ окажется меньше, чем 2π. Причем тем меньше, чем больше масса M – см. фигуры №2 – 4 на рисунке 1 . Это и есть искривление пространства! Но искривляется не только пространство, искривляется также и время, а правильнее говорить, что искривляется все пространство-время, т.к. в теории относительности одно не может существовать без другого – между ними нет четкой границы.

В какую же сторону оно искривляется? – спросите вы.
Вниз (под плоскость) или наоборот – вверх?

Правильный ответ состоит в том, что искривление будет одинаково для любой плоскости, проведенной через точку “O”, а направление тут не при чем. Само геометрическое свойство пространства меняется так, что и отношение длины окружности к радиусу меняется также! Некоторые ученые считают, что искривление пространства происходит в направлении нового (четвертого) измерения. Но сама теория относительности не нуждается в дополнительном измерении, ей хватает трех пространственных и одного временного измерения. Обычно временному измерению приписывают индекс нуль, а пространство-время обозначают как 3+1.
Насколько сильным будет такое искривление?

Для окружности, которая является экватором нашей , относительное уменьшение ОТНОШЕНИЯ будет 10-9, т.е. для Земли (длина экватора)/(радиус Земли) ≈ 2π (1 – 10-9)!!! Вот такая ничтожно-малая добавка. А вот для окружности, являющейся экватором это уменьшение уже около 10-5, и хотя это тоже очень мало, но современные приборы эту величину легко измеряют.

Но в космосе есть и более экзотические объекты, чем просто планеты и звезды. Например пульсары, которые являются нейтронными звездами (состоят из нейтронов). Гравитация на поверхности пульсаров чудовищна, а их средняя плотность материи около 1014г/см3 – невероятно тяжелая материя! Для пульсаров уменьшение этого ОТНОШЕНИЯ уже около 0.1!

А вот для черных дыр и кротовых нор уменьшение этого ОТНОШЕНИЯ достигает единицы, т.е. само ОТНОШЕНИЕ достигает нуля! Это значит, что при движении в сторону центра длина окружности не меняется вблизи горизонта или горловины. Не меняется также и площадь сферы вокруг черных дыр или кротовых нор. Строго говоря, для таких объектов обычное определение длины уже не годится, но сути это не меняет. Причем для сферически-симметричной кротовой норы ситуация не зависит от направления, с которого мы двигаемся в сторону центра.

Как это можно себе представить?

Если мы рассматриваем кротовую нору, то это означает, что мы достигли сферы минимальной площади Smin=4π rmin2 с радиусом горловины rmin. Эта сфера минимальной площади называется горловиной кротовой норы. При дальнейшем движении в том же направлении мы обнаруживаем, что площадь сферы начинает увеличиваться – это означает, что мы проскочили горловину, перешли в другое пространство и двигаемся уже от центра.

А что будет если размеры падающего тела превышают размеры горловины?

Чтобы ответить на этот вопрос обратимся к двумерной аналогии – см. рисунок 2 .

Предположим, что тело является двумерной фигурой (некий рисунок, вырезанный из бумаги или другого материала), и этот рисунок скользит по поверхности, которая является воронкой (наподобие той, что мы имеем в ванной при стекании в нее воды). Причем скользит наш рисунок в направлении горловины воронки так, что прижимается к поверхности воронки всей своей поверхностью. Очевидно, что по мере приближения рисунка к горловине кривизна поверхности воронки нарастает, и поверхность рисунка начинает деформироваться в соответствии с формой воронки в данном месте рисунка. Наш рисунок (хоть он и бумажный), так же как и любое физическое тело обладает свойствами упругости, которые препятствуют его деформации.

В то же время материал рисунка оказывает физическое воздействие на материал, из которого сделана воронка. Можно сказать, что и воронка, и рисунок воздействуют силами упругости друг на друга.

1. Рисунок деформируется настолько, что проскочит через воронку, при этом он может и разрушиться (разорваться).
2. Рисунок и воронка деформируются недостаточно, чтобы рисунок проскочил (для этого нужно, чтобы рисунок имел достаточно большие размеры и прочность). Тогда рисунок застрянет в воронке и перекроет ее горловину для других тел.
3. Рисунок (точнее материал рисунка) разрушит (разорвет) материал воронки, т.е. такая двумерная кротовая нора будет разрушена.
4. Рисунок проскочит мимо горловины воронки (возможно задев ее при этом своим краем). Но это будет только в том случае, если вы недостаточно точно прицелили ваш рисунок на направление горловины.

Эти же четыре варианта возможны и для падения трехмерных физических тел в трехмерные кротовые норы. Вот так иллюзорно, на примере игрушечных моделей, я попытался описать кротовую нору в виде тоннеля без стенок.

В случае трехмерной кротовой норы (в нашем пространстве) силы упругости материала воронки, рассмотренные в предыдущем разделе, заменяются гравитационными приливными силами – это те самые силы, которые вызывают на Земле приливы и отливы под действием и .

В кротовых норах и черных дырах приливные силы могут достигать чудовищных значений. Они способны разорвать и уничтожить любые предметы или материю, а вблизи сингулярности эти силы вообще становятся бесконечными! Однако мы можем предположить такую модель кротовой норы, в которой приливные силы ограничены и, тем самым, возможно пройти сквозь такую кротовую нору нашему роботу (или даже человеку) без ущерба для него.

Приливные силы, согласно классификации Кипа Торна, бывают трех типов:

1. Приливные силы растяжения-сжатия
2. Приливные силы деформации сдвига
3. Приливные силы деформации кручения

Рисунок 3. (рисунок взят из доклада Кипа Торна — Нобелевского лауреата по физике 2017г.) Слева – иллюстрация действия приливных сил растяжения-сжатия. Справа – иллюстрация действия приливных сил кручения-сдвига.

Хотя последние 2 типа можно свести к одному – см. рисунок 3 .

4.Общая теория относительности Эйнштейна

В этом разделе я буду говорить о кротовых норах в рамках общей теории относительности, созданной Эйнштейном. Отличия от кротовых нор в других теориях гравитации я рассмотрю в последующем разделе.

Почему я начал свое рассмотрение именно с теории Эйнштейна?

На сегодняшний день теория относительности Эйнштейна является самой простой и самой красивой из неопровергнутых теорий гравитации: ни один эксперимент на сегодняшний день не опровергает ее. Результаты всех экспериментов прекрасно с ней согласуются на протяжении 100 лет!!! В то же время теория относительности является математически очень сложной.

Зачем же такая сложная теория?

Потому что все остальные непротиворечивые теории оказываются еще сложнее…

Рисунок 4. (рисунок взят из книги А.Д. Линде “Инфляционная космология”)
Слева – модель хаотической инфляционной многоэлементной Вселенной без кротовых нор, справа – тоже, но с кротовыми норами.

Сегодня модель “хаотической инфляции” является основой современной космологии. Эта модель работает в рамках теории Эйнштейна и предполагает существование (кроме нашей) бесконечного количества других вселенных, возникающих после “большого взрыва”, образуя во время “взрыва” так-называемую “пространственно-временную пену”. Первые мгновения во время и после этого “взрыва” и являются основой модели “хаотической инфляции”.

В эти мгновения могут возникать первичные пространственно-временные тоннели (реликтовые кротовые норы), которые, вероятно, сохраняются и после инфляции. Далее эти реликтовые кротовые норы связывают различные районы нашей и других вселенных – см. рисунок 4 . Данная модель была предложена нашим соотечественником Андреем Линде, который сейчас является профессором Стэндфордского университета. Эта модель открывает уникальную возможность исследования многоэлементной Вселенной и обнаружения нового типа объектов -– входов в кротовые норы.

Какие условия необходимы для существования кротовых нор

Исследование моделей кротовых нор показывает, что для их стабильного существования в рамках теории относительности необходима экзотическая материя. Иногда такую материю называют еще фантомной.

Для чего нужна такая материя?

Как я написал выше, для существования кривого пространства нужна сильная гравитация. В теории относительности Эйнштейна гравитация и кривое пространство-время существуют неразрывно друг от друга. Без достаточного количества сконцентрированной материи искривленное пространство выпрямляется и энергия этого процесса излучается на бесконечность в виде гравитационных волн.
Но только лишь сильной гравитации недостаточно для стабильного существования кротовой норы – так можно получить только черную дыру и (как следствие этого) горизонт событий.

Для того чтобы не дать образоваться горизонту событий черной дыры и нужна фантомная материя. Обычно под экзотической или фантомной материей подразумевают нарушение такой материей энергетических условий. Это уже математическое понятие, но не пугайтесь – я опишу его без математики. Как известно из школьного курса физики, у каждого физического твердого тела есть силы упругости, которые противостоят деформации этого тела (я писал об этом в предыдущем разделе). В более общем случае произвольной материи (жидкость, газ и т.д.) говорят о собственном давлении материи, а точнее о зависимости этого давления от плотности материи.

Такую зависимость физики называют уравнением состояния материи.
Так вот для того, чтобы энергетические условия материи были нарушены необходимо, чтобы сумма давления и плотности энергии была отрицательна (плотность энергии это плотность массы, умноженная на скорость света в квадрате).

Что это значит?

Ну, во-первых, если мы рассматриваем положительную массу, то давление такой фантомной материи должно быть отрицательно. А во-вторых, давление фантомной материи по модулю должно быть достаточно большим, чтобы в сумме с плотностью энергии дать отрицательную величину.

Есть еще более экзотический вариант фантомной материи: когда мы сразу рассматриваем отрицательную плотность массы и тогда давление не играет принципиальной роли, но об этом позже.

А еще более удивительным является тот факт, что в теории относительности плотность материи (энергии) зависят от того, в какой системе отсчета мы их рассматриваем. Для фантомной материи это приводит к тому, что всегда существует такая система отсчета (двигающаяся относительно лабораторной системы почти со скоростью света), в которой плотность фантомной материи становится отрицательной. По этой причине для фантомной материи нет принципиальной разницы: положительна или отрицательна ее плотность.

А такая материя вообще бывает?

И тут пришло время вспомнить об открытии темной энергии в космологии (не перепутайте ее с понятием “темной материи” – это совсем другая субстанция). Темную энергию открыли в 90-ых годах прошлого века, а понадобилась она для того чтобы объяснить наблюдаемое ускоренное расширение вселенной. Да, да – вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением.

7.Как кротовые норы могли образоваться во Вселенной

Все метрические теории гравитации (и теория Эйнштейна в их числе) утверждают принцип сохранения топологии. Это значит, что если кротовая нора обладает одной топологией, то со временем она не сможет обладать другой. Это также означает, что если пространство не обладает топологией тора, то и потом в этом же пространстве не смогут появиться объекты, обладающие топологией тора.

Поэтому рингхолы (кротовые норы с топологией тора) не могут появиться в расширяющейся Вселенной и не могут исчезнуть! Т.е. если во время “большого взрыва” топология была нарушена (процесс “большого взрыва” может и не описываться метрической теорией – например теорией Эйнштейна), то в первые мгновения взрыва, в “пространственно-временной пене” (я писал о ней выше – могут образоваться рингхолы, которые потом могут превратиться в непроходимые кротовые норы с той же топологией тора, но исчезнуть совсем они уже не смогут – поэтому их и называют реликтовые кротовые норы.

А вот кротовые норы с топологией сферы в теории Эйнштейна появляться и исчезать могут (правда на строго-топологическом языке это не будет такая же топология сферы, как и для кротовых нор, соединяющих разные вселенные, но в эти математические дебри здесь я углубляться не буду). Как может происходить образование кротовых нор с топологией сферы я могу опять же проиллюстрировать на примере двумерной аналогии – см. фигуры №5 – 7 на рисунке 1. Такие двумерные кротовые норы могут “надуваться” как детский резиновый шарик в любой точке плоской резиновой “вселенной”. При этом в процессе такого “надувания” топология нигде не нарушается – разрывов нигде нет. В трехмерном пространстве (трехмерная сфера) все происходит по аналогии – так же как я рассказывал выше.

8.Можно-ли из кротовой норы сделать машину времени

Среди литературных произведений можно встретить много разных романов про машину времени. К сожалению, большинство из них является мифами, не имеющими никакого отношения к тому, что принято называть МАШИНОЙ ВРЕМЕНИ в физике. Так вот в физике под машиной времени принято называть замкнутые мировые линии материальных тел. Под мировой линией мы понимаем траекторию тела, нарисованную не в пространстве, а в пространстве-времени!

Причем протяженность этих линий должна иметь макроскопические размеры. Последнее требование связано с тем, что в квантовой физике (в микромире) замкнутые мировые линии частиц являются обычным делом. Но квантовый мир это совсем другое дело. В нем, например, существует квантовый туннельный эффект, который позволяет микрочастице проходить через потенциальный барьер (сквозь непрозрачную стенку). Помните героя Иванушку (которого сыграл Александр Абдулов) в фильме Чародеи, где он проходил сквозь стену? Сказка, конечно, но с чисто научной точки зрения вероятность прохождения сквозь стену (квантовое туннелирование) есть и у большого макроскопического тела.

Но если мы рассчитаем эту вероятность, то она окажется столь маленькой, что необходимое число попыток (которое равно единице, деленной на эту мизерную вероятность), необходимых для успешного квантового туннелирования есть почти бесконечность. А если более конкретно, то число таких попыток должно превышать число всех элементарных частиц во Вселенной!

Вот примерно так же обстоит дело и с попыткой создания машины времени из квантовой петли – почти невероятно.

Но мы все же вернемся к вопросу создания машины времени с помощью кротовой норы. Для этого (как я уже сказал) нам потребуются замкнутые мировые линии. Такие линии, кстати, есть внутри вращающихся черных дыр. Есть они, кстати, и в некоторых моделях вращающейся Вселенной (решение Гёделя).

А вот для того, чтобы такие линии появились внутри кротовых нор, необходимо обязательное выполнение двух условий:

Во-первых, кротовая нора должна быть рингхолом, т.е. соединять разные области одной и той же вселенной.

А во-вторых, эта кротовая нора должна достаточно быстро вращаться (в нужном направлении).

Фраза “достаточно быстро” здесь означает, что скорость движения материи в ней должна быть близка к скорости света.

И всё? – спросите вы, мы сможем путешествовать в прошлое и обратно? На этот вопрос физики сегодня не могут ответить математически-корректно. Дело в том, что математическая модель, которую необходимо рассчитать, настолько сложна, что аналитическое решение построить просто невозможно. Более того: сегодня нет ни одного аналитического решения для рингхолов – есть только приближенные численные расчеты, сделанные на компьютерах.

Лично моё мнение состоит в том, что, если даже удастся получить замкнутую мировую линию, то она будет разрушена материей (которая будет двигаться по этой петле) ещё до замыкания петли. Т.е. машина времени невозможна, иначе мы могли бы вернуться в прошлое и, например, убить там свою бабушку еще до рождения у неё детей – явное противоречие в логике. Т.е. возможно получение только петель времени, которые не могут оказывать влияния на наше прошлое. По той-же логической причине, мы не сможем заглянуть в будущее, оставаясь при этом в настоящем. В будущее можно только перенестись целиком и уже невозможно будет из него вернуться, если мы в него уже попали. Иначе будет нарушена причинно-следственная связь между событиями (а на мой взгляд это невозможно).

9.Кротовые норы и вечный двигатель

Собственно, сами кротовые норы прямого отношения к вечному двигателю не имеют, а вот с помощью фантомной материи (которая необходима для стационарного существования кротовой норы) в принципе можно создать так называемый вечный двигатель третьего рода.

Я напомню одно из удивительных свойств фантомной материи (см. выше): всегда существует такая система отсчета (двигающаяся относительно лабораторной системы почти со скоростью света), в которой плотность фантомной материи становится отрицательной. Представим себе тело с отрицательной массой (из фантомной материи). Согласно закону всемирного тяготения это тело будет притягиваться к обычному телу с положительной массой. С другой стороны, обычное тело должно будет отталкиваться от тела с отрицательной массой. Если по модулю массы этих тел одинаковы, то тела будут “гнаться” друг за другом до бесконечности.

На этом эффекте и основывается (чисто теоретически) принцип работы вечного двигателя третьего рода. Однако возможность извлечения энергии (для нужд народного хозяйства) из этого принципа на сегодняшний день ни математически, ни физически строго не доказана (хотя такие попытки и были неоднократно предприняты).
Более того, ученые не верили и не верят в возможность создания вечного двигателя и это является основным аргументом против существования фантомной материи и против кротовых нор… Лично я также не верю в возможность создания вечного двигателя, но допускаю возможность существования в природе некоторых типов фантомной материи.

10.Связь между кротовыми норами и черными дырами

Как я писал выше, первые реликтовые кротовые норы, которые могли образоваться во Вселенной после “большого взрыва”, могли в итоге оказаться непроходимыми. Т.е. проход через них невозможен. На языке математики это означает, что у кротовой норы появляется “ловушечный горизонт” (trapping horizon), иногда его еще называют пространственно-подобный горизонт видимости. Даже свет не может выйти из под ловушечного горизонта, а другая материя не может тем более.

Вы спросите: “а что, горизонты бывают разные?”. Да, горизонтов в теориях гравитации есть несколько типов, и когда говорят, что у черной дыры есть горизонт, то обычно подразумевают горизонт событий.

Скажу более: и у кротовой норы обязательно должен быть горизонт, этот горизонт называется горизонтом видимости и таких горизонтов тоже есть несколько типов. Но я не буду здесь в это углубляться.

Таким образом, если кротовая нора является непроходимой, то внешне ее практически невозможно отличить от черной дыры. Единственным признаком такой кротовой норы может быть только монопольное магнитное поле (хотя у кротовой норы его может и не быть совсем).

Фраза “монопольное поле” означает, что поле выходит прямо из кротовой норы в одном направлении, т.е. поле либо выходит со всех сторон из кротовой норы (как иголки у ёжика), либо со всех сторон входит в неё – см. рисунок 6 .

У черной дыры существование монопольного магнитного поля запрещено так-называемой теоремой “Об отсутствии волос у черной дыры”.

Для электрического монопольного поля такое свойство обычно означает, что внутри поверхности под которую входит (или выходит) поле есть электрический заряд. Но магнитных зарядов в природе не найдено, поэтому если поле на одном из входов входит в кротовую нору, то оно должно выходить из нее на другом входе кротовой норы (или наоборот). Таким образом, можно реализовать интересную концепцию в теоретической физике, эта концепция называется “заряд без заряда”.

Это означает, что магнитная кротовая нора на каждом из своих входов будет выглядеть как магнитный заряд, но заряды входов противоположные (+ и -) и поэтому суммарный заряд входов кротовой норы равен нулю. На самом деле никаких магнитных зарядов быть не должно, просто внешнее магнитное поле ведет себя так, как будто они есть – см. рисунок 6.

Для проходимых кротовых нор есть свои характерные особенности, по которым можно отличить их от черных дыр и я напишу об этом в следующем разделе.
Если кротовая нора является непроходимой, то с помощью фантомной материи ее можно сделать проходимой. А именно, если мы будем “поливать” непроходимую кротовую нору фантомной материей с одного ее входа, то она станет проходимой со стороны противоположного входа, и наоборот. Правда при этом возникает и остается вопрос: как путешественнику (который хочет пройти через непроходимую кротовую нору) сообщить своему помощнику на противоположном от него входе кротовой норы (закрытом от него горизонтом), что он (путешественник) уже около своего входа и пора начинать “поливать” противоположный вход фантомной материей, для того чтобы кротовая нора стала полупроходимой в направлении нужном путешественнику.

Т.о., чтобы непроходимая кротовая нора стала полностью проходимой, ее нужно “поливать” фантомной материей с обоих ее входов одновременно. Причем фантомной материи должно быть достаточное количество, какое именно – вопрос непростой, ответ на него может дать только точный численный расчет для конкретной модели (такие модели уже рассчитывались ранее в научных публикациях). В астрофизике даже появилось выражение, что фантомная материя настолько ужасна, что растворяет в себе даже черные дыры! Правда справедливости ради стоит сказать, что черная дыра, растворившись, вовсе не обязательно образует кротовую нору.

Обычная же материя в достаточном количестве наоборот – “запирает” кротовую нору, т.е. делает ее непроходимой. Таким образом, можно сказать, что в этом смысле возможно взаимопревращение черных дыр и кротовых нор.

11.Черно-белые дыры как разновидность кротовых нор

Я предполагаю, что до сих пор у читателя создавалось впечатление, что черные дыры являются объектами, из которых ничего и никогда не может выходить наружу (в т.ч. даже свет). Это не совсем верное утверждение.

Дело в том, что практически во всех черных дырах сингулярность отталкивает материю (и свет), когда та подлетит к ней слишком близко (уже под горизонтом черной дыры). Исключение из этого явления могли бы составить только так называемые шварцшильдовские черные дыры, т.е. те, которые не вращаются и у них отсутствует электрический заряд. Но для образования такой шварцшильдовской черной дыры для ее образующей материи нужны такие начальные условия, мера которых есть нуль на множестве всех возможных начальных условий!

Другими словами, при образовании любой черной дыры у нее обязательно будет вращение (пусть даже очень маленькое) и обязательно будет электрический заряд (пусть даже элементарный), т.е. черная дыра будет не шварцшильдовской. Далее я буду называть такие черные дыры реальными. Реальные черные дыры имеют свою классификацию: Керровская (для вращающейся черной дыры), Рейснера-Нордстрема (для заряженной черной дыры) и Керра-Ньюмана (для вращающейся и заряженной черной дыры).

Что же будет с частицей, которую отталкивает сингулярность внутри реальной черной дыры?

Вылететь обратно частица уже не сможет – это противоречило бы законам физики в черной дыре, т.к. частица уже попала под горизонт событий. Но, оказывается, что топология внутри черных дыр оказывается нетривиальной (сложной). Это приводит к тому, что после попадания под горизонт черной дыры вся материя, частицы, свет выбрасываются сингулярностью в другую вселенную.

В той вселенной, куда все это вылетает существует белая дыра – из нее-то и вылетает материя (частицы, свет). Но на этом все чудеса не кончаются… Дело в том, что в том же самом месте пространства, где есть эта белая дыра (в другой вселенной) обязательно есть еще и черная дыра.

Материя, попавшая в Ту черную дыру (в другой вселенной) испытывает аналогичный процесс и вылетает уже в следующую вселенную. И так далее… Причем движение из одной вселенной в другую всегда возможно лишь в одном направлении: от прошлого – к будущему (в пространстве-времени). Это направление связано с причинно-следственной связью между событиями в любом пространстве-времени. В силу здравого смысла и логики ученые предполагают, что причинно-следственная связь никогда не должна нарушаться.

У читателя может возникнуть логичный вопрос: а обязательно-ли будет белая дыра в нашей вселенной – там, где уже есть черная дыра, и откуда могла бы вылетать к нам материя из предыдущей вселенной? Для специалистов в вопросах топологии черных дыр это непростой вопрос и ответ на него: “не всегда”. Но, в принципе, такая ситуация вполне может быть (когда черная дыра в нашей вселенной одновременно является и белой дырой из другой – предыдущей вселенной). Ответить на вопрос – какая ситуация является более вероятной (является-ли черная дыра в нашей вселенной одновременно и белой дырой из предыдущей вселенной или не является) мы, к сожалению, пока не можем.

Так вот такие объекты – черно-белые дыры имеют еще и другое название: “динамические кротовые норы”. Динамическими они называются, потому, что у них под горизонтом черной дыры всегда есть область (эта область называется T-областью), в которой невозможно создать жесткую систему отсчета, и в которой все частицы или материя находились бы в покое. В T-области материя не просто все время двигается – она двигается все время с переменной скоростью.

Но между сингулярностью и T-областью в реальных черных дырах всегда еще есть пространство с обычной областью, эта область называется R-областью. В частности, вне черной дыры пространство также обладает свойствами R-области. Так вот отталкивание материи от сингулярности происходит именно во внутренней R-области.

Рисунок 7. (за основу рисунка автором взята диаграмма Картера-Пенроуза для черной дыры Рейснера-Нордстрема) На рисунке слева схематически изображено пространство с нетривиальной (сложной) топологией черно-белой дыры Рейснера-Нордстрема (диаграмма Картера-Пенроуза). Справа показано прохождение частицы через эту черно-белую дыру: вне черной окружности – внешняя R-область, между зеленой и черной окружностями – T-область, под зеленой окружностью – внутренняя R-область и сингулярность.

По этим причинам невозможно рассчитать и построить единую траекторию частицы, пересекающей черно-белую дыру сразу в обоих вселенных. Для такого построения приходится разбивать искомую траекторию на два участка и “сшивать” эти участки между собой во внутренней R-области (только там это и возможно сделать) – см. рисунок 7 .

Как я уже писал ранее, приливные силы могут разорвать материю прежде, чем она достигнет другой вселенной. Причем внутри черно-белой дыры максимум приливных сил достигается в точке минимального радиуса (во внутренней R-области). Чем ближе реальная черная дыра по своим свойствам к шварцшильдовской – тем больше будут эти силы в своем максимуме, и тем меньше шансов у материи преодолеть черно-белую дыру без разрушения.

Эти свойства реальных черных дыр определяются мерой их вращения (это их угловой момент, деленый на квадрат их массы) и мерой их заряда (это их заряд, деленый на их массу). Каждое из этих свойств (этих мер) не может быть больше единицы для реальных черных дыр. Поэтому чем больше к единице какая-либо из этих мер – тем меньше будут в такой черной дыре приливные силы в своем максимуме, и тем больше шансов у материи (или у человека) преодолеть такую черно-белую дыру без разрушения. Более того, как ни парадоксально это звучит, чем тяжелее будет реальная черная дыра – тем меньше будут приливные силы в ее максимуме!

Так происходит оттого, что приливные силы являются не просто силами тяготения, а градиентом силы тяготения (т.е. скоростью изменения силы тяготения). Поэтому, чем больше черная дыра – тем медленнее в ней меняются силы тяготения (несмотря на то, что сами силы тяготения могут быть огромными). Следовательно градиент силы тяготения (т.е. приливные силы) будет меньше в бо’льших черных дырах.

Например, для черной дыры с массой в несколько миллионов масс нашего Солнца (в центре нашей галактики находится черная дыра с массой ≈ 4.3 миллиона масс Солнца), приливные силы на ее горизонте достаточно малы для того чтобы там мог пролететь человек и, при этом, ничего бы не почувствовал в момент пролета горизонта. А во Вселенной существуют и гораздо-более тяжелые черные дыры – с массой в несколько миллиардов масс Солнца (как, например, в квазаре M87)… Я поясню, что квазарами называются активные (ярко-светящиеся) ядра далеких галактик.

Поскольку, как я написал, материя или свет все-таки может без разрушения пролететь из одной вселенной в другую через черно-белую дыру, то такие объекты по-праву можно называть еще одной разновидностью кротовых нор без фантомной материи. Более того – существование во Вселенной именно этой разновидности – динамических кротовых нор можно считать уже практически доказанным!

Оригинальное видео автора (из его публикации), иллюстрирующее свободное, радиальное падение пылевой сферы в черно-белую дыру (все пылинки на сфере светятся монохромно-зеленым светом). Радиус горизонта Коши этой черно-белой дыры Рейснера-Нордстрема в 2 раза меньше радиуса внешнего горизонта. Наблюдатель также свободно и радиально падает (вслед за этой сферой), но с несколько большего расстояния.

При этом изначально зеленые фотоны от пылинок сферы достигают наблюдателя с красным (а потом и с фиолетовым) гравитационным смещением. Если бы наблюдатель оставался неподвижным относительно черно-белой дыры, то после пересечения сферой горизонта видимости красное смещение фотонов для наблюдателя стало бы бесконечным и он не смог бы больше наблюдать эту пылевую сферу. Но благодаря свободному падению наблюдателя, он может видеть сферу все время (если не учитывать сильного красного смещения фотонов) — в т.ч. и моменты пересечения сферой обоих горизонтов, и во время того как сам наблюдатель пересекает эти горизонты, и даже после прохождения сферой горловины этой динамической кротовой норы (черно-белой дыры) — и выхода пылинок в другую вселенную.

Внизу отображена шкала радиуса для наблюдателя (помеченного жёлтой меткой), ближайшей к наблюдателю точки пылевой оболочки (помеченной зелёной меткой), максимально-удалённой от наблюдателя точки пылевой оболочки, от которой к наблюдателю приходят фотоны (помеченной тонкой белой меткой), а также местоположение горизонта чёрной дыры (красная метка), горизонта Коши (синяя метка) и точки горловины (фиолетовая метка).

12.Мультивселенная

Понятие Мультивселенной обычно отождествляется с нетривиальной топологией окружающего нас пространства. Причем, в отличие от понятия «мультиверс» в квантовой физике, имеют в виду достаточно большие масштабы пространства, на которых квантовыми эффектами можно полностью пренебречь. Что такое нетривиальная топология? Объясню это на простых примерах. Представим себе два предмета, вылепленные из пластилина: обычную чашку с ручкой и блюдце под эту чашку.

Без разрывов пластилина и без склейки поверхностей, а только пластичной деформацией пластилина блюдце можно превратить в шар, но никак невозможно превратить в чашку или в бублик. Для чашки наоборот: из-за ее ручки чашку никак невозможно превратить в блюдце или в шар, но можно превратить в бублик. Эти общие свойства блюдца и шара соответствуют их общей топологии - топологии сферы, а общие свойства чашки и бублика - топологии тора.

Так вот топологию сферы (блюдце и шар) принято считать тривиальной, а более сложную топологию тора (чашка и бублик) принято считать нетривиальной, хотя существуют и другие, еще более сложные типы нетривиальной топологии - не только топология тора. Окружающая нас Вселенная состоит как минимум из трех пространственных (длина, ширина, высота) и одного временного измерения, и понятия топологии очевидным образом переносятся на наш мир.

Так, если две разные вселенные, обладающие топологией сферы, соединяются между собой только одной кротовой норой (гантель), то результирующая вселенная также будет обладать тривиальной топологией сферы. А вот если две разные части одной вселенной соединяются между собой кротовой норой (гиря), то такая вселенная будет обладать уже нетривиальной топологией тора.

Если две разные вселенные, обладающие топологией сферы, соединяются между собой двумя или более кротовыми норами, то результирующая вселенная будет обладать уже нетривиальной топологией. Система вселенных, соединенных между собой несколькими кротовыми норами, также будет обладать нетривиальной топологией, если существует хотя бы одна замкнутая линия, которую никакой плавной деформацией невозможно стянуть к одной точке.

При всей своей привлекательности, кротовые норы имеют два существенных недостатка: они нестабильны и их существование требует наличия экзотической (или фантомной) материи. И если их стабильность еще может быть реализована искусственно, то в возможность существования фантомной материи многие ученые просто не верят. Исходя из вышесказанного, может показаться, что без кротовых нор существование Мультивселенной невозможно. Но оказывается, что это не так: для существования Мультивселенной оказывается вполне достаточно существования реальных черных дыр.

Как я уже говорил, внутри всех черных дыр находится сингулярность - это область, в которой плотность энергии и материи достигает бесконечных значений. Практически во всех черных дырах сингулярность отталкивает материю (и свет), когда та подлетит к ней слишком близко (уже под горизонтом черной дыры).

Исключение из этого явления могли бы составить только так называемые шварцшильдовские черные дыры, то есть те, которые совсем не вращаются и у которых отсутствует электрический заряд. Шварцшильдовская черная дыра обладает тривиальной топологией. Но для образования такой шварцшильдовской черной дыры, для ее образующей материи нужны такие начальные условия, мера которых есть нуль на множестве всех возможных начальных условий!

Другими словами, при образовании любой черной дыры у нее обязательно будет вращение (пусть даже очень маленькое) и обязательно будет электрический заряд (пусть даже элементарный), то есть черная дыра будет не шварцшильдовской. Я называю такие черные дыры реальными.

У шварцшильдовсой черной дыры сингулярность находится внутри центральной сферы, имеющей бесконечно-малую площадь. У реальной черной дыры сингулярность находится на кольце, которое лежит в экваториальной плоскости под обеими горизонтами черной дыры. Здесь стоит добавить, что, в отличие от шварцшильдовской, у реальной черной дыры не один, а два горизонта. Причем между этими горизонтами математические признаки пространства и времени меняются местами (хотя это вовсе и не означает, что само пространство и время меняются местами, как считают некоторые ученые).

Что же будет с частицей, которую отталкивает сингулярность внутри реальной черной дыры (уже под ее внутренним горизонтом)? Вылететь обратно частица уже не сможет: это противоречило бы законам физики и причинности в черной дыре, так как частица уже попала под горизонт событий. Это приводит к тому, что после попадания под внутренний горизонт реальной черной дыры любая материя, частицы, свет выбрасываются сингулярностью в другую вселенную.

Так происходит потому, что, в отличие от шварцшильдовских черных дыр, топология внутри реальных черных дыр оказывается нетривиальной. Не правда ли, это удивительно? Даже небольшое вращение черной дыры приводит к кардинальному изменению свойств ее топологии! В той вселенной, куда потом вылетает материя, существует белая дыра - из нее-то все и вылетает. Но на этом все чудеса не кончаются… Дело в том, что в том же самом месте пространства, где есть эта белая дыра, в другой вселенной, обязательно есть еще и черная дыра. Материя, попавшая в ту черную дыру в другой вселенной, испытывает аналогичный процесс и вылетает уже в следующую вселенную и так далее.

Причем движение из одной вселенной в другую всегда возможно лишь в одном направлении - от прошлого к будущему (в пространстве-времени). Это направление связано с причинно-следственной связью между событиями в любом пространстве-времени. В силу здравого смысла и логики ученые предполагают, что причинно-следственная связь никогда не должна нарушаться. Такой объект принято называть черно-белой дырой (в этом смысле кротовую нору можно было бы назвать бело-белой дырой). Это и есть Мультивселенная, которая существует благодаря существованию реальных черных дыр, и для ее существования необязательно существование кротовых нор и фантомной материи.

Я предполагаю, что для большинства читателей будет сложно себе представить, чтобы в одной и той же области пространства (внутри одной и той же сферы, имеющей радиус горизонта черной дыры) существовало бы два принципиально-разных объекта: черная и белая дыра. Но математически это доказывается совершенно строго.

Читателю я предлагаю представить себе простую модель: вход (и выход) из здания с вращающейся дверью. Эта дверь может вращаться только в одну сторону. Внутри здания вход и выход около этой двери разделены турникетами, пропускающими посетителей только в одном направлении (вход или выход), а вне здания турникетов нет. Представим, что внутри здания эти турникеты делят все здание на 2 части: вселенная №1 для выхода из здания и вселенная №3 – для входа в него, а вне здания находится вселенная №2 – та, в которой мы с вами живем. Внутри здания турникеты также позволяют двигаться только в направлении от №1 к №3. Такая простая модель хорошо иллюстрирует действие черно-белой дыры и объясняет, что вне здания входящие и выходящие посетители могут столкнуться друг с другом, а внутри здания – не могут из-за однонаправленности движения (так же как и частицы материи в соответствующих вселенных).

На самом деле явления, которые сопровождают материю при таком выбросе в другую вселенную, представляют из себя достаточно сложные процессы. Основную роль в них начинают играть гравитационные приливные силы, про которые я писал выше. Однако если материя, попавшая внутрь черной дыры не долетает до сингулярности, то приливные силы, действующие на нее всегда остаются конечными и, тем самым, оказывается принципиально возможным прохождение сквозь такую черно-белую дыру робота (или даже человека) без ущерба для него. Причем, чем больше и массивнее будет черная дыра, тем меньше будут приливные силы в своем максимуме…

У читателя может возникнуть логичный вопрос: а обязательно ли будет белая дыра в нашей Вселенной там, где уже есть черная дыра, и откуда могла бы вылетать к нам материя из предыдущей вселенной? Для специалистов в вопросах топологии черных дыр это непростой вопрос, и ответ на него: «Не всегда». Но, в принципе, такая ситуация вполне может быть - когда черная дыра в нашей Вселенной одновременно является и белой дырой из другой, предыдущей вселенной. Ответить на вопрос «Какая ситуация является более вероятной?» (является ли черная дыра в нашей Вселенной одновременно и белой дырой из предыдущей вселенной или не является), мы, к сожалению, пока не можем.

Разумеется, сегодня и в ближайшем будущем не будет технической возможности отправить к черной дыре даже робота, но некоторые физические эффекты и явления, характерные для кротовых нор и черно-белых дыр, обладают настолько уникальными свойствами, что сегодня наблюдательная астрономия вплотную подошла к их обнаружению и, как следствие, открытию таких объектов.

13.Как должна выглядеть кротовая нора в мощный телескоп

Как я уже писал, если кротовая нора является непроходимой, то отличить ее от черной дыры будет очень непросто. Зато если она проходима, то через нее можно наблюдать объекты и звезды в другой вселенной.

Рисунок 9. (оригинальный рисунок автора)
На левой панели показан участок звездного неба, наблюдаемый через круглое отверстие в одной и той же вселенной (1 миллион одинаковых, равномерно-распределенных звезд). На средней панели показано звездное небо другой вселенной, наблюдаемое через статичную кротовую нору (1 миллион разных изображений от 210 069 одинаковых и равномерно-распределенных звезд в другой вселенной). На правой панели показано звездное небо другой вселенной, наблюдаемое через черно-белую дыру (1 миллион разных изображений от 58 892 одинаковых и равномерно-распределенных звезд в другой вселенной).

Рассмотрим простейшую (гипотетическую) модель звездного неба: на небе есть достаточно много одинаковых звезд, и все эти звезды равномерно распределены по небесной сфере. Тогда картина этого неба, наблюдаемая через круглое отверстие в одной и той же вселенной, будет такая, как показано на левой панели рисунка 9 . На этой левой панели видно 1 миллион одинаковых, равномерно-распределенных звезд, поэтому изображение кажется почти однородным круглым пятном.

Если же мы наблюдаем такое же звездное небо (в другой вселенной) через горловину кротовой норы (из нашей вселенной), то картина изображений этих звезд будет выглядеть примерно так, как показано на