Кротовые норы: существуют ли они в космосе и чем отличаются от черных дыр
Мы привыкли считать, что в космосе нет коротких путей. Свету от ближайшей звезды до нас — четыре года пути, а до края наблюдаемой Вселенной — миллиарды лет. Но что, если расстояние — это иллюзия? Что, если пространство можно сложить, как лист бумаги, и сделать шаг в совершенно другой угол реальности? Так в уравнениях Эйнштейна родилась идея, которая позже покорила научную фантастику: тоннель сквозь само пространство-время.
Червоточины, коридоры, порталы, тоннели — как кротовые норы только не называют, визуально представляя их как мосты или дверь между разными частями Вселенной. Но можно ли обнаружить кротовые норы, как они выглядят и как устроены? Собрали все, что нужно знать.
Что такое кротовая нора
Кротовые норы — это гипотетические тоннели в пространстве-времени, которые могут соединять удаленные точки Вселенной. Идея появилась как следствие общей теории относительности: если пространство-время достаточно сильно искривлено, оно может образовывать короткие мосты между дальними областями.
На протяжении большей части истории человечества пространство представлялось нам чем-то простым: огромной плоской сценой, на которой разворачиваются события Вселенной. Даже если убрать с нее декорации — звезды, планеты, — сама сцена все равно остается. Эта пустота — и есть пространство: неизменное и вечное.
Теория относительности Эйнштейна изменила картину. Пространство и время оказались единой гибкой структурой — пространство-время, — которая реагирует на массу и энергию, изгибается и растягивается. В редких случаях такие деформации могут стать настолько глубокими, что пространство-время складывается само на себя, образуя туннель — кротовую нору.
Но где искать такую нору? Пока что — только в уравнениях. Общая теория относительности допускает их существование, но не гарантирует. Это всего лишь математическая модель, допускающая множество решений, а не всякая математика описывает реальный мир.
Виды кротовых нор
Тем не менее с точки зрения теории кротовые норы вполне возможны, и их бывает несколько видов.
Непроходимые
Первой гипотетической формой кротовых нор стали Мосты Эйнштейна–Розена (названы в честь Эйнштейна и его соавтора Натана Розена). Они описывают любую черную дыру как портал в бесконечную параллельную Вселенную.
Пустое пространство-время плоское, но под воздействием массы оно искривляется. Чем плотнее объект, тем сильнее деформация. В конечном итоге пространство-время может искривиться настолько, что схлопнется само в себя — в черную дыру. Ее граница называется горизонтом событий. Все, что пересекает его, уходит навсегда — в центр, к сингулярности, откуда ничего уже не возвращается.
Первое точное описание таких объектов дал Карл Шварцшильд в 1916 году, всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свои уравнения. Его решение показало две важные вещи. Во‑первых, у черной дыры есть граница, за которой повернуть назад уже нельзя. Ее назвали радиусом Шварцшильда. Любой объект, пересекший эту черту, будет неизбежно втянут внутрь — и уничтожен.
Во-вторых, каждый, кто окажется в пределах радиуса Шварцшильда, обнаружит по другую сторону черной дыры «зеркальную вселенную» — как бы отраженную копию нашей. Эйнштейна это не смущало: такая вторая вселенная нужна, чтобы уравнения имели смысл, но физически попасть туда нельзя.
Если попробовать отправить в черную дыру зонд, он столкнется с невероятно сильным гравитационным полем. Материя просто не выдержит: атомы развалятся, электроны вырвутся из оболочек, а протоны и нейтроны в ядре будут разорваны. Чтобы зонд прошел дальше, ему пришлось бы двигаться быстрее света — а это, как мы знаем, невозможно.
В итоге мост Эйнштейна–Розена считается просто математической диковинкой, бонусом к теории относительности. Если вы попадете в черную дыру, вы не окажетесь на другой стороне. Вы просто погибнете.
Что будет, если черная дыра пролетит сквозь человека: ученый дал ответ
Ситуация с пониманием черных дыр начала меняться в 1963 году, когда новозеландский математик Рой Керр нашел еще одно точное решение уравнений Эйнштейна. В отличие от Шварцшильда, Керр исходил из предположения, что звезда, коллапсирующая в черную дыру, обязательно вращается.
Как фигурист, ускоряющий вращение, прижимая руки к телу, сжимающаяся звезда будет раскручиваться все быстрее по мере сжатия. Это делало статичную модель Шварцшильда физически неполной, слишком идеализированной, чтобы описывать реальные космические объекты.
В модели Керра итогом гравитационного коллапса становится не точечная сингулярность, а вращающееся кольцо — кольцевая сингулярность, обладающая необычными свойствами. Пространство-время искривляется по-разному в зависимости от траектории приближения к центру. Если зонд войдет сбоку, он столкнется с бесконечной гравитацией и будет уничтожен. Но вдоль оси вращения гравитация конечна. Силы там по-прежнему чудовищные, но, теоретически, не фатальные.
Этот неожиданный вывод означает, что маршрут через черную дыру Керра теоретически возможен: зонд, проходящий вдоль оси вращения, может выжить и пересечь центральную область. В этом случае черная дыра превращается в туннель между двумя областями пространства-времени — в кротовую нору.
Отсюда возникла гипотеза: вращающаяся черная дыра может быть воротами в другую вселенную.
Проходимые
Чтобы путешествовать между далекими уголками Вселенной за мгновение, нужна особая форма кротовой норы — проходимая. То есть такая, через которую можно не не только заглянуть, но и пройти туда и обратно.
Если теория струн (или одна из ее вариаций) действительно описывает структуру нашей Вселенной, нам могло повезти: такие кротовые норы могли появиться естественным образом. Вскоре после Большого взрыва квантовые флуктуации на самых мельчайших масштабах — значительно меньше атома — могли породить множество миниатюрных проходимых кротовых нор. Через них тянутся особые структуры — космические струны, гипотетические одномерные объекты с огромной плотностью энергии.
В первые миллиардные доли триллионной секунды после Большого взрыва крошечные кротовые норы могли растянуться на световые годы и разлететься по Вселенной. Если они действительно появились в тот момент (с космическими струнами или без них), они могут быть повсюду.
Снаружи черные дыры и кротовые норы теоретически могут выглядеть одинаково, и потому некоторые физики предполагают, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик на самом деле являются кротовыми норами. Правда, добраться до центра Млечного Пути, чтобы это проверить, крайне трудно.
С перемещением во времени
Если один вход кротовой норы разогнать до околосветовой скорости или поместить рядом с массивным телом с сильной гравитацией (например, нейтронной звездой), время у него начнет течь медленнее. Тогда возникнет асимметрия: один конец тоннеля отстанет во времени от другого. Путешественник, пройдя через такую кротовую нору, окажется не только в другом месте, но и в другом времени — в прошлом или будущем.
Такие конструкции, как известно, прямо нарушают причинность и порождают парадоксы. Поэтому большинство физиков считает такие сценарии нереализуемыми. Тем не менее математически они не запрещены.
Искусственные
Пока не найдено ни одного доказательства существования естественных проходимых кротовых нор, но физики допускают: в далеком будущем мы сможем сделать их сами.
Чтобы кротовая нора была пригодна для путешествий, она должна отвечать нескольким критериям. Во‑первых, она должна соединять два удаленных участка пространства-времени. Во‑вторых, она не должна содержать горизонтов событий, иначе вернуться обратно будет нельзя. В-третьих, она должна быть достаточно широкой, чтобы гравитационные силы не раздавили путешественника. Главная задача — удержать такую нору открытой, поскольку гравитация стремится схлопнуть ее, оставив вместо прохода две черные дыры в разных углах Вселенной.
В старых моделях пространство удерживали открытым космические струны. Для искусственных кротовых нор основной кандидат — экзотическая материя с необычными свойствами. Одна из гипотез предполагает, что такую материю можно получить из квантовых флуктуаций вакуума: в пустоте постоянно рождаются и исчезают пары частиц и античастиц, и это бурление пространства уже наблюдается в экспериментах. Возможно, мы сможем извлечь из него нужный эффект и применить для стабилизации тоннеля.
Если удержать нору открытой, ее концы изначально будут находиться рядом. Чтобы сделать ее полезной, придется разнести их в разные точки. Один можно оставить на орбите Земли, другой — отправить в глубины космоса. Теоретически это возможно: если туннель стабилен, один из выходов можно переместить обычным способом — например, на корабле — не разрывая соединения.
Квантовые и холографические
На стыке квантовой гравитации и теории информации появилась идея, что кротовые норы могут быть связаны с квантовой запутанностью. Согласно гипотезе ER=EPR, туннель Эйнштейна–Розена (ER) может быть физическим выражением запутанной пары частиц (EPR). Это значит, что две удаленные частицы, находящиеся в состоянии квантовой связанности, соединены на фундаментальном уровне — как бы «сшиты» кротовой норой.
Ученые снова спорят о том, существует ли квантовая гравитация
Такие структуры играют роль в моделях черных дыр и в попытках объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Пока что это, как и все, что касается кротовых нор, чисто теоретическая область.
Существуют ли кротовые норы
Кротовые норы — это решение уравнений Эйнштейна, их можно описать с помощью общей теории относительности. Это означает, что их существование теоретически допустимо.
Но с практической точки зрения все намного сложнее. Проблема в том, что такие норы, если они и возникают, нестабильны. Как только тоннель формируется, его «горло» сразу схлопывается — и превращается в черную дыру. Любое вещество оказывается отрезано бесконечно сильной гравитацией горизонта событий.
В 1988 году Кип Торн и Майкл Моррис предложили способ удержать нору открытой: использовать ту самую экзотическую материю с отрицательной плотностью энергии. Такая материя должна обладать антигравитационными свойствами — не притягивать, а отталкивать. Пока никто не знает, существует ли она, но физики уже предлагают способы искать такие норы. Например, если ее вход пройдет на фоне далекой звезды, мы можем увидеть характерную вспышку: сначала усиление света за счет гравитационного фокуса, затем краткое ослабление, вызванное отталкиванием, и новое усиление. Такой сигнал теоретически можно уловить.
В 2006 году команда под руководством Камала Канти Нанди предложила применить эту идею к сверхмассивной черной дыре Стрелец A* в центре Млечного Пути. Если она не просто черная дыра, а вход в кротовую нору, то если за ней пройдет звезда, мы могли бы увидеть не одно изображение, а два. Проблема в том, что угловое расстояние между ними будет всего 17 миллионных долей угловой секунды — гораздо меньше, чем способен различить даже самый современный телескоп. Пока ничего подобного ни разу не наблюдалось.
Черная дыра в центре Млечного Пути сжимает пространство-время в «футбольный мяч»
Плюс, даже в теории остаются серьезные возражения. Во-первых, приливные силы горизонтов событий у черных дыр так сильны, что любое вещество будет разрушено еще до входа в нору. Единственный выход — использовать горизонты огромного размера, как у сверхмассивных черных дыр. Но тогда и сама кротовая нора должна быть гигантской.
Во-вторых, альтернативные решения, например белые дыры или туннели в моделях Керра с вращающимися сингулярностями, оказываются крайне нестабильными. Они либо коллапсируют за доли секунды, либо испускают настолько мощное излучение, что структура туннеля разрушается сама по себе.
Наконец, даже минимальная стабилизация норы требует вещества с чудовищными характеристиками, плотностями и давлениями, сравнимыми с ядром нейтронной звезды или гипотетическими космическими струнами. Ни того, ни другого у нас пока нет.
Так что теоретически кротовые норы вполне допустимы. Но подтверждений их существования — ни наблюдательных, ни лабораторных — пока нет. И если они где-то есть, нам нужны совсем другие инструменты, чтобы их обнаружить.
Как выглядит кротовая нора
В простейшем представлении кротовая нора — это тоннель, соединяющий два участка пространства. Снаружи она может напоминать сферический объект с гравитационными искажениями, похожими на те, что создает черная дыра. Но в отличие от нее, кротовая нора не обязательно поглощает свет: если она проходима, изнутри может идти излучение, а звезды за ней будут казаться искаженными, как будто отраженными в изогнутом зеркале.
Симуляции показывают, что кротовая нора может выглядеть как полупрозрачная сфера, сквозь которую видна другая часть Вселенной, с заметным оптическим смещением, как будто пространство заворачивается внутрь. При этом картинка будет меняться в зависимости от угла обзора, расстояния до наблюдателя и от того, что происходит по другую сторону туннеля.
Некоторые визуализации (например, для кино или научных публикаций) используют модели на основе проходимых решений Морриса–Торна. В таких изображениях кротовая нора часто выглядит как плавающая в пространстве сфера или воронка, внутри которой искривляется свет звезд, а за ней — искаженная панорама другого участка космоса.
Если бы такая структура действительно существовала рядом с нами, она могла бы быть видна как странный объект, в центре которого — искаженная, движущаяся звездная карта. Из-за релятивистского эффекта света изображение могло бы мелькать или преломляться, особенно если нора нестабильна.
Как устроена кротовая нора
Ворота — это входы и выходы из кротовой норы. Они находятся в разных точках пространства (или даже времени) и выглядят как сферические области, через которые можно попасть внутрь тоннеля. Снаружи такие ворота могут напоминать черную дыру, но чтобы кротовая нора была проходимой, они не должны иметь горизонта событий.
Тоннель — внутренняя часть кротовой норы, соединяющая ворота. Самая узкая ее область называется горловиной, здесь искривление пространства-времени максимальное. Внутри тоннеля время может течь иначе, движение — замедляться, а направление — меняться самым неожиданным образом. Чтобы тоннель не схлопнулся под действием собственной гравитации, в районе горловины должна находиться экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии. Благодаря своей отталкивающей массе она создаст антигравитационный эффект, который уравновесит сжимающие силы и удерживает проход открытым.
В чем разница кротовой норы и черной дыры
Во-первых, в проходимости. Черная дыра — это односторонний путь: все, что пересекает ее горизонт событий, навсегда исчезает внутри. Сигналы наружу передать невозможно: пространство-время устроено так, что ведет только к центру, к сингулярности. Это тупик, в котором исчезают материя и информация.
Кротовая нора, напротив, гипотетический тоннель между двумя областями пространства или времени. У нее два входа и нет центра притяжения. Если она проходима, значит, у нее нет горизонта событий, и через нее можно вернуться обратно. Внутри искривление может быть настолько же сильным, как в черной дыре, но устроено иначе: не схлопывается в точку, а формирует канал.
Визуально объекты тоже отличались бы. Черную дыру мы распознаем по темному силуэту на фоне искаженного света и по светящемуся аккреционному диску вокруг. Кротовая нора, если она проходима, могла бы пропускать свет с другого конца, создавая иллюзию окна в другой регион пространства.
Но главное различие: черные дыры — реально наблюдаемые астрономические объекты, с измеренными массами и орбитами. Кротовые норы пока существуют только на бумаге.
Частые вопросы
Могут ли кротовые норы возникать естественным путем?
Теоретически — да. Некоторые космологические модели допускают, что проходимые кротовые норы могли сформироваться в первые доли секунды после Большого взрыва. Квантовые флуктуации, искривившие пространство-время на субатомных масштабах, могли породить крошечные тоннели — первичные кротовые норы. Если они стабилизировались (например, с помощью космических струн), их концы могли быть растянуты расширяющейся Вселенной на гигантские расстояния. Однако пока никаких доказательств этому нет. [1]
Что такое «экзотическая материя» и зачем она нужна для кротовых нор?
Экзотическая материя — это гипотетическое вещество с отрицательной плотностью энергии. В отличие от обычной материи, оно не притягивает, а отталкивает, создавая антигравитационный эффект. Именно это свойство необходимо, чтобы удерживать тоннель кротовой норы от схлопывания под собственной гравитацией. Без экзотической материи такие структуры остаются нестабильными: они коллапсируют сразу после образования. Пока ни одна форма экзотической материи не была обнаружена, хотя аналогичные эффекты изучаются в рамках квантовой физики — например, в эффекте Казимира. [2], [3]
Что произойдет с человеком при входе в кротовую нору?
Это зависит от типа кротовой норы. Если она проходима и стабилизирована, человек (или зонд) теоретически сможет пройти сквозь тоннель и оказаться в другом месте — или времени. Но если это обычная черная дыра или нестабильная структура, результат будет фатальным. При пересечении горизонта событий вещество попадет в область с чудовищными приливными силами, которые разрушат его на субатомном уровне. Пока никто не знает, возможно ли вообще безопасное прохождение через такую структуру. [4]
Как ученые ищут кротовые норы в космосе?
Один из подходов — искать характерные аномалии в гравитационном линзировании. Если кротовая нора окажется на фоне далекой звезды, она может исказить свет необычным способом: сначала усилить его, затем — ослабить (из-за отталкивающего эффекта экзотической материи), а потом снова усилить. Такой тройной импульс может быть отличительным признаком. Кроме того, есть идеи искать «двойные образы» объектов за кротовой норой — например, два изображения одной звезды, создаваемых разными путями через тоннель. Пока таких сигналов не зафиксировано. [5]
Главное о кротовой норе
Кротовая нора — это гипотетический тоннель, соединяющий удаленные точки пространства, времени или и того, и другого.
Идея появилась как математическое следствие общей теории относительности Эйнштейна.
Первый тип норы — мост Эйнштейна–Розена — оказался непроходимым: он мгновенно схлопывается.
Модель Керра показала, что при вращении сингулярность может принимать форму кольца — и тоннель становится теоретически проходимым.
Чтобы удержать кротовую нору открытой, нужна экзотическая материя с отрицательной энергией.
Такие структуры могли возникнуть в ранней Вселенной — на квантовом уровне — и быть растянутыми на космические расстояния.
Кротовые норы пока не обнаружены, но физики предлагают способы их поиска, например, по аномальному гравитационному линзированию.
Визуально они могли бы выглядеть как полупрозрачная сфера с искаженной картиной звездного неба внутри.
Одна из самых главных загадок астрофизики — антиматерия, открытие которой поставило под сомнение саму возможность существования нашей Вселенной, состоящей из обычного вещества. Собрали все, что известно об антиматерии — что это такое, как ее создают и почему она такая дорогая.
Читайте также:
Все о Сатурне: из чего состоит, сколько лететь и другие факты о «Властелине колец»
Все о Марсе: есть ли жизнь, сколько лететь и почему называют Красной планетой
Какая звезда самая яркая на ночном небе, как она называется и где находится
Что такое орбита простыми словами: как устроены космические дороги
