Что такое червоточина (кротовина)?

Червоточина (кротовая нора, или кротовина) – это особое решение уравнений, описывающих общую теорию относительности Эйнштейна, которая соединяет две далекие точки в пространстве или времени туннелем. В идеале длина этого туннеля короче, чем расстояние между этими двумя точками, что делает червоточину своего рода сокращением пути. Хотя червоточины являются основным продуктом научной фантастики и захватили воображение людей, они, насколько нам известно, являются лишь гипотетическими. Это законные решения общей теории относительности, но ученые так и не нашли способа поддерживать стабильную червоточину в реальной Вселенной.

Кто обнаружил червоточину?

Простейшее возможное решение червоточины было открыто Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году, поэтому червоточины иногда называют «мостами Эйнштейна-Розена». Эйнштейн и Розен начали с математического решения черной дыры, которая состоит из сингулярности (точки бесконечной плотности) и горизонта событий (области, окружающей эту сингулярность, за пределы которой ничто не может выйти). Согласно Физике вселенной, они обнаружили, что могут расширить это решение, включив в него полярную противоположность черных дыр: белые дыры. (1)

Эти гипотетические белые дыры также содержат сингулярность, но они действуют, наоборот, по сравнению с черными дырами: ничто не может войти в горизонт событий белой дыры, и любой материал внутри белой дыры немедленно выбрасывается.

Эйнштейн и Розен обнаружили, что теоретически каждая черная дыра связана с белой дырой. Поскольку две дыры будут существовать в разных местах в космосе, туннель червоточина соединит два конца.

Что делает червоточину проходимой?

Однако червоточина, созданная из пары черных и белых дыр, была бы не очень полезной. Во-первых, белые дыры нестабильны. Если бы вы бросили частицу к горизонту событий белой дыры, частица никогда не достигла бы горизонта событий, потому что ничто не может войти в белую дыру. По словам физика из Университета Колорадо Эндрю Гамильтона, энергия системы будет продолжать увеличиваться до бесконечности, в конечном итоге взорвав белую дыру. (2)

Во-вторых, даже если бы белые дыры могли существовать, единственный способ войти в эту червоточину это пересечь горизонт событий черной дыры на другой стороне. Но как только объект пересек горизонт событий, он уже не может покинуть его. Таким образом, объекты могут войти в червоточину, но никогда не выйти. (3)

Наконец, сами червоточины будут нестабильными. По данным Европейской южной обсерватории, одиночный фотон или частица света, проходя через туннель червоточины, привнесет в систему столько энергии, что туннель разорвется на части, разрушив червоточину.

Однако в 1970-х годах физики разработали математику, необходимую для создания стабильной или «проходимой» червоточины, по словам физика из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Хитрость заключается в том, чтобы переместить вход в туннель червоточины за горизонт событий черной дыры и стабилизировать сам туннель, чтобы проходящая через него материя не вызывала немедленного катастрофического коллапса. (4)

Ключевым ингредиентом для стабилизации червоточин является так называемая экзотическая материя или некая форма материи с отрицательной массой. К несчастью для таких червоточин, ученые никогда не находили доказательств отрицательной массы, и это нарушило бы закон сохранения количества движения, согласно которому импульс должен оставаться постоянным, если не применяется сила; объект с отрицательной массой, помещенный рядом с объектом с положительной массой, немедленно ускоряется без источника энергии.

Как выглядят червоточины?

Если бы такая червоточина действительно существовала, это выглядело бы очень странно. Вход был бы сферой, как поверхность планеты. Если вы посмотрите в него, вы увидите свет, идущий с другой стороны. Туннель червоточины может быть любой длины, и, путешествуя по туннелю, вы будете видеть искаженные виды той области вселенной, из которой вы прибыли, и региона, в который вы путешествуете.

Червоточины и путешествия во времени

Теоретически червоточина может также действовать как машина времени. Специальная теория относительности гласит, что движущиеся часы идут медленно. Другими словами, тот, кто мчится со скоростью, близкой к скорости света, не продвинется в собственное будущее так же быстро, как тот, кто стоит на месте.

Если бы ученые могли каким-то образом построить червоточину, сначала два конца были бы синхронизированы во времени. Но если бы один конец затем был ускорен почти до скорости света, этот конец начал бы отставать от другого конца. По словам физика Массачусетского технологического института Эндрю Фридмана, два входа могут быть объединены, но тогда один из входов окажется в прошлом другого. (5)

Чтобы отправиться в прошлое, нужно просто пройти через один конец. Когда вы выйдете из червоточины, вы окажетесь в своем прошлом.

Как образуются червоточины?

В настоящее время нет известного способа построить червоточину, и червоточины являются чисто гипотетическими. Хотя экзотическая материя вряд ли существует, может быть другой способ стабилизировать червоточины: отрицательная энергия.

Вакуум пространства-времени заполнен квантовыми полями, фундаментальными квантовыми строительными блоками, которые порождают силы и частицы, с которыми мы сталкиваемся, и эти квантовые поля обладают внутренним количеством энергии. Можно построить сценарии, в которых квантовая энергия в определенной области ниже, чем в ее окружении, что делает эту энергию отрицательной на локальном уровне. Такая отрицательная энергия существует в реальном мире в форме эффекта Казимира, при котором отрицательная квантовая энергия между двумя параллельными металлическими пластинами заставляет пластины притягиваться, по словам Риверсайдского математика Джона Баэса из Калифорнийского университета. (6)

Но никто не знает, можно ли использовать эту отрицательную квантовую энергию для стабилизации червоточины. Это может быть даже не «правильный» вид отрицательной энергии, поскольку она отрицательна только по отношению к окружающей среде, а не в абсолютном смысле.

Червоточины могут возникать естественным образом в микроскопических масштабах в квантовой пене, а мутная природа пространства-времени в самых крошечных масштабах из-за тех же самых квантовых энергий. В этом случае червоточины могут появляться и исчезать постоянно. Но опять же, неясно, как «увеличить» эти червоточины до размеров, достаточных для того, чтобы вы могли пройти через них, и сохранить их стабильными.

Live Science