Кротові нори в космосі. Астрономічні гіпотези

Зоряна всесвіт таїть в собі безліч загадок. Відповідно до загальної теорії відносності (ЗТВ), створеної Ейнштейном, ми живемо в чотиривимірному просторі-часі. Воно викривлено, а гравітація, знайома всім нам, є проявом цієї властивості. Матерія викривляє, "прогинає" простір навколо себе, і тим більше, чим вона щільніше. Космос, простір і час - все це дуже цікаві теми. Прочитавши цю статтю, ви напевно дізнаєтеся щось нове про них.

Ідея кривизни

Безліч інших теорій тяжіння, яких існує сьогодні цілі сотні, в деталях відрізняється від ЗТВ. Проте всі ці астрономічні гіпотези зберігають основну ідею кривизни. Якщо простір криве, то можна припустити, що воно могло прийняти, наприклад, форму труби, що з'єднує області, які розділені безліччю світлових років. А можливо, навіть епохи, далекі один від одного. Адже ми ведемо мову не про простір, звичному нам, а про просторі-часу, коли розглядаємо космос. Дірка в ньому може з'явитися лише при певних умовах. Пропонуємо вам ближче познайомитися з таким цікавим явищем, як кротові нори.

Перші ідеї про кротячих норах

Далекий космос і його загадки манять до себе. Думки про викривлення з'явилися відразу ж після того, як була опублікована ЗТВ. Л. Фламм, австрійський фізик, вже в 1916 році говорив про те, що просторова геометрія може існувати у вигляді якоїсь нори, яка з'єднує два світи. Математик Н. Розен і А. Ейнштейн у 1935 році помітили, що найпростіші рішення рівнянь в рамках ОТО, що описують ізольовані електрично заряджені або нейтральні джерела, що створюють гравітаційне поля, мають просторовою структурою "мосту". Тобто вони з'єднують два всесвіти, два майже однакових плоских і простору-часу.


Пізніше ці просторові структури стали іменуватися "кротовыми норами", що є досить вільним перекладом з англійської мови слова wormhole. Більш близький його переклад – "червоточина" (в космосі). Розен і Ейнштейн навіть не виключали можливості використання цих "мостів" для опису з їх допомогою елементарних частинок. Дійсно, в цьому випадку частинка є суто просторовим утворенням. Отже, необхідності моделювати джерело заряду або маси спеціально не з'явиться. А віддалений зовнішній спостерігач у разі, якщо кротова нора має мікроскопічні розміри, бачить лише точкове джерело з зарядом і масою при знаходженні в одному з цих просторів.

"Мости" Ейнштейна-Розена

З одного боку в нору входять електричні силові лінії, а з іншого вони виходять, не закінчуючись і не починаючись ніде. Дж. Уілер, американський фізик, з цього приводу сказав, що виходить "заряд без заряду" і "маса без маси". Зовсім не обов'язково в цьому випадку вважати, що міст служить для з'єднання двох різних всесвітів. Не менш доречним буде і припущення про те, що у кротової нори обидва "устя" виходять в однакову всесвіт, проте в різні часи і в різних її точках. Виходить щось, що нагадує порожнисту "ручку", якщо її пришити до практично плоскому звичного світу. Силові лінії входять в гирлі, яке можна розуміти як негативний заряд (наприклад, електрон). Устя, з якої вони виходять, має позитивний заряд (позитрон). Що ж стосується мас, вони з обох сторін будуть однаковими.

Умови освіти "мостів" Ейнштейна-Розена

Ця картина, при всій своїй привабливості, не отримала поширення у фізиці елементарних частинок, на що було безліч причин. Нелегко приписати "мостах" Ейнштейна-Розена квантові властивості, без яких у мікросвіті не обійтися. Такий "міст" і зовсім не утворюється при відомих значеннях зарядів і мас часток (протонів або електронів). "Електричне" рішення замість цього пророкує "голу" сингулярність, тобто точку, де електричне поле і кривизна простору робляться нескінченними. В таких точках поняття простору-часу навіть у випадку викривлення втрачає сенс, так як неможливо розв'язувати рівняння, що мають нескінченну безліч складових.

Коли не працює ОТО?

Сама по собі ОТО виразно заявляє, коли саме вона припиняє працювати. На горловині, у найбільш вузькому місці "мосту", спостерігається порушення гладкості з'єднання. І воно, слід сказати, досить нетривіально. З позиції віддаленого спостерігача на цій горловині зупиняється час. Те, що Розен і Ейнштейн вважали горловиною, в даний час визначається як горизонт подій чорної діри (зарядженої або нейтральною). Промені або частки з різних сторін "мосту" потрапляють на різні "ділянки" горизонту. А між лівої і правої його частинами, умовно кажучи, знаходиться нестатична область. Для того щоб пройти область, не можна не подолати її.

Неможливість пройти через чорну діру

Космічний корабель, який наближається до горизонту досить великої щодо нього чорної діри, ніби застигає навіки. Все рідше і рідше доходять сигнали від нього Навпаки, горизонт за корабельним годинах досягається за кінцевий час. Коли корабель (промінь світла або частка) мине його, він незабаром упреться в сингулярність. Це місце, де кривизна робиться нескінченною. В сингулярності (ще на підході до неї) протяжне тіло неминуче буде розірвано і розчавлено. Така реальність пристрою чорної діри.

Подальші дослідження

У 1916-17 рр. були отримані рішення Райснера-Нордстрема і Шварцшильда. У них сферично описуються симетричні електрично заряджені і нейтральні чорні діри. Однак фізики змогли до кінця розібратися в непростій геометрії даних просторів тільки на рубежі 1950-60-х років. Саме тоді Д. А. Уілер, відомий завдяки своїм роботам в теорії гравітації і ядерної фізики, запропонував терміни "кротова нора" і "чорна діра". З'ясувалося, що в просторах Райснера-Нордстрема і Шварцшильда дійсно існують кротові нори в космосі. Вони повністю не видно віддаленого спостерігача, як і чорні діри. І, подібно їм, кротові нори в космосі вічні. А ось якщо мандрівник проникне за горизонт, вони складаються настільки швидко, що через них не зможе пролетіти ні промінь світла, ні масивна частинка, а не те що корабель. Щоб пролетіти до іншого гирла, минаючи сингулярність, потрібно рухатися швидше світла. В даний час фізики вважають, що наднові швидкості переміщення енергії і матерії принципово неможливі.

Чорні діри Шварцшильда і Райснера-Нордстрема

Чорна діра Шварцшильда може вважатися непрохідною кротової норою. Що стосується чорної діри Райснера-Нордстрема, вона влаштована дещо складніше, проте також непрохідна. Тим не менш придумати і описати чотиривимірні кротові нори в космосі, які можна було б пройти, не так вже складно. Варто лише підібрати необхідний вид метрики. Метричний тензор, або метрика, - набір величин, використовуючи який, можна обчислити чотиривимірні інтервали, існуючі між точками-подіями. Цей набір величин повністю характеризує також і поле тяжіння, і геометрію простору-часу. Геометрично прохідні кротові нори в космосі навіть простіше, ніж чорні діри. У них немає горизонтів, які ведуть до катаклізмів з ходом часу. У різних точках час може йти в різному темпі, проте воно не повинно при цьому нескінченно зупинятися або прискорюватися.

Два напрями дослідження кротячих нір

Природа поставила бар'єр на шляху появи кротячих нір. Однак людина влаштована так, що якщо знаходиться перешкода, завжди будуть охочі його подолати. І вчені не виняток. Праці теоретиків, які займаються дослідженням кротячих нір, умовно можна розділити на два напрямки, які доповнюють один одного. Перше займається розглядом їх наслідків, заздалегідь припускаючи те, що кротові нори дійсно існують. Представники другого напряму намагаються зрозуміти, із чого і як вони можуть з'явитися, які умови необхідні для їх виникнення. Робіт цього напряму більше, ніж першого і, мабуть, вони більш цікаві. До даного напрямку можна віднести пошук моделей кротячих нір, а також дослідження їх властивостей.

Досягнення російських фізиків

Як з'ясувалося, властивості матерії, що є матеріалом для будівництва кротячих нір, можуть реалізуватися за рахунок поляризації вакууму квантових полів. Російські фізики Сергій Сушков і Аркадій Попов спільно з іспанським дослідником Давидом Хохбергом, а також Сергій Красніков нещодавно прийшли до цього висновку. Вакуум у цьому випадку не є порожнечею. Це квантовий стан, що характеризується найменшою енергією, тобто поле, в якому відсутні реальні частки. У цьому полі постійно виникають пари частинок "віртуальних", зникаючі до того, як їх виявляють прилади, однак залишають свій слід у вигляді тензора енергії, тобто імпульсу, характеризується незвичайними властивостями. Незважаючи на те що квантові властивості матерії в основному проявляються в мікросвіті, кротові нори, викликані ними, при деяких умовах здатні досягати значних розмірів. Одна з статей Краснікова, до речі, називається "Загроза кротячих нір".

Питання філософії

Якщо кротові нори коли-небудь все-таки вдасться побудувати або виявити, область філософії, пов'язана з інтерпретацією науки, зіткнеться з новими завданнями і, треба сказати, вельми непростими. При всій, здавалося б, абсурдності часових петель і нелегкі проблеми, що стосуються причинності, дана галузь науки, ймовірно, коли-небудь з цим розбереться. Так само, як розібралися в свій час з проблемами квантової механіки і створеної Ейнштейном теорії відносності. Космос, простір і час - всі ці питання в усі століття цікавили людей і, мабуть, будуть цікавити нас завжди. Пізнати їх повністю чи вдасться. Вивчення космосу навряд чи коли-небудь буде завершено.