Кротовая нора: гипотетический туннель в пространстве-времени¶

Кротовая нора (также «червоточина», от англ. wormhole) — гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой туннель, соединяющий две удалённые области Вселенной или две разные вселенные. В общей теории относительности кротовая нора описывается как решение уравнений Эйнштейна, при котором искривление пространства-времени создаёт «мост» между двумя точками, потенциально позволяющий перемещаться между ними быстрее, чем за время прохождения света обычным путём. Концепция носит теоретический характер: существование кротовых нор экспериментально не подтверждено, а их создание потребовало бы материи с экзотическими свойствами.

¶История концепции

Идея о возможности существования «мостов» в пространстве-времени восходит к работам Альберта Эйнштейна и Натана Розена, которые в 1935 году опубликовали статью, описывающую гипотетический «мост Эйнштейна — Розена». Первоначально эта модель рассматривалась как способ объединить гравитацию и электромагнетизм в рамках единой теории поля, однако позже выяснилось, что такой мост должен быть нестабильным и схлопываться быстрее, чем через него сможет пройти даже свет.

Термин «кротовая нора» (wormhole) ввёл американский физик Джон Арчибальд Уилер в 1957 году. Он использовал эту метафору для описания топологических дефектов пространства-времени, которые могут соединять удалённые области Вселенной. В 1960-х годах Роберт Фуллер и Джон Уилер показали, что мост Эйнштейна — Розена нестабилен: любое возмущение приводит к его мгновенному схлопыванию.

Современный этап изучения кротовых нор начался в 1980-х годах, когда Карл Саган обратился к физику Кипу Торну с просьбой предложить правдоподобный способ межзвёздных путешествий для своего романа «Контакт». Торн совместно с Майклом Моррисом разработал математическую модель проходимой кротовой норы, для поддержания которой требовалась материя с отрицательной средней плотностью энергии — так называемая экзотическая материя.

¶Устройство и свойства

Кротовая нора в простейшем представлении состоит из двух входов (устьев, или горловин), которые находятся в разных точках пространства-времени, и соединяющего их горла — туннеля, который может проходить через искривлённую область пространства. В трёхмерной аналогии пространство-время можно представить как двумерную плоскость: если сложить лист бумаги и проколоть его в двух местах, соединив отверстия трубкой, получится наглядная модель кротовой норы.

Ключевые характеристики гипотетической кротовой норы:

• Проходимость — возможность для объекта или сигнала пройти через туннель без разрушения. Для этого горловина должна быть достаточно широкой, а приливные силы (перепад гравитационного поля) — слабыми.
• Стабильность — способность туннеля не схлопываться под действием собственной гравитации. По расчётам, для этого необходимо наличие экзотической материи с отрицательной энергией, которая создаёт антигравитационное давление.
• Топология — кротовая нора изменяет топологию пространства, создавая «ручку» или «дырку». В отличие от чёрной дыры, у кротовой норы нет горизонта событий, что позволяет объектам проходить через неё в обоих направлениях.

Различают несколько типов кротовых нор: внутривселенные (соединяющие две точки в одной Вселенной) и межвселенные (соединяющие разные вселенные в мультивселенной); проходимые и непроходимые; а также «лоренцевы» (описываемые классической общей теорией относительности) и «евклидовы» (возникающие в квантовой гравитации).

¶Экзотическая материя

Главным препятствием для существования кротовых нор является необходимость в экзотической материи. Согласно общей теории относительности, гравитация притягивает обычную материю, поэтому массивный туннель должен сжиматься под действием собственного тяготения. Чтобы удержать горловину открытой, требуется вещество с отрицательной плотностью энергии, создающее гравитационное отталкивание.

Квантовая теория поля допускает существование состояний с отрицательной энергией в малых объёмах и на короткое время (эффект Казимира, излучение Хокинга у чёрных дыр), однако для макроскопической кротовой норы потребовались бы колоссальные количества такой материи, что делает её создание практически невозможным. Некоторые физики, в том числе Кип Торн и Стивен Хокинг, предполагали, что квантовые эффекты могут разрушать кротовые норы или делать их непроходимыми, однако окончательного ответа на этот вопрос нет.

¶Кротовые норы и путешествия во времени

Одно из наиболее интригующих следствий существования кротовых нор — потенциальная возможность путешествий во времени. Если один из входов кротовой норы перемещать с релятивистской скоростью или поместить в область с сильной гравитацией, то, согласно специальной и общей теории относительности, время для него будет течь медленнее, чем для неподвижного входа. В результате разница между «возрастом» входов создаст эффект, при котором путешествие через туннель в одном направлении будет эквивалентно перемещению в прошлое.

Однако большинство физиков считает, что такая возможность наталкивается на фундаментальные ограничения. В 1990 году Стивен Хокинг сформулировал «гипотезу защиты хронологии», согласно которой законы физики должны предотвращать образование замкнутых времениподобных кривых. Возможные механизмы защиты включают квантовые флуктуации вакуума, которые разрушают кротовую нору до того, как через неё сможет пройти объект, создающий «парадокс дедушки».

¶Квантовые аспекты

В квантовой гравитации кротовые норы рассматриваются в более широком контексте. В 1980-х годах Стивен Хокинг и Сидни Коулмен предположили, что виртуальные кротовые норы могут возникать и исчезать в квантовой пене — микроскопической структуре пространства-времени на планковских масштабах. Такие квантовые кротовые норы могли бы влиять на значения фундаментальных физических констант.

В голографическом принципе и теории струн кротовые норы играют роль в так называемой ER=EPR-гипотезе, предложенной Хуаном Малдасеной и Леонардом Сасскиндом в 2013 году. Согласно этой гипотезе, квантово-запутанные частицы могут быть соединены микроскопическими кротовыми норами, что предполагает глубокую связь между гравитацией и квантовой информацией.

¶Кротовые норы в культуре

Образ кротовой норы широко используется в научной фантастике как средство для быстрых межзвёздных путешествий, поскольку она позволяет обойти ограничение скорости света. Наиболее известный пример — фильм «Интерстеллар» (2014), научным консультантом которого выступил Кип Торн: кротовая нора в фильме показана как сферический объект, соединяющий Солнечную систему с системой планеты Миллер. Также кротовые норы фигурируют в сериалах «Звёздные врата» (где они называются «червоточинами»), «Звёздный путь» и многих других произведениях.

¶Перспективы исследования

На сегодняшний день кротовая нора остаётся чисто теоретическим объектом. Никаких наблюдательных свидетельств их существования не обнаружено, хотя некоторые астрофизики предполагали, что отдельные кандидаты в чёрные дыры могут на самом деле быть кротовыми норами. В 2019 году группа исследователей под руководством Деяна Стойковича выдвинула гипотезу, что сверхмассивный объект Стрелец A* в центре Млечного Пути может быть кротовой норой, однако последующие наблюдения телескопа «Телескоп горизонта событий» не подтвердили эту возможность.

Теоретические работы продолжаются в нескольких направлениях: поиск стабильных решений уравнений Эйнштейна без экзотической материи, изучение возможности создания кротовых нор в лабораторных условиях (что потребовало бы энергии порядка планковской), а также исследование связи кротовых нор с квантовой запутанностью и информационным парадоксом чёрных дыр.

¶Источники

• Моррис М., Торн К. «Червоточины в пространстве-времени и их использование для межзвёздных путешествий: инструмент для преподавания общей теории относительности», American Journal of Physics, 1988.
• Торн К. «Интерстеллар. Наука за кадром», 2014.
• Вишер М. «Лоренцевы червоточины: от Эйнштейна до Хокинга», 1996.
• Хокинг С. «Краткая история времени», 1988.
• Малдасена Х., Сасскинд Л. «ER=EPR», Fortschritte der Physik, 2013.