Кротовая нора в космосе¶

Кротовая нора (англ. wormhole, буквально «червоточина») — гипотетический топологический дефект пространства-времени, представляющий собой короткий путь («туннель») между двумя отдалёнными областями Вселенной или между разными моментами времени. Термин ввёл физик-теоретик Джон Уилер в 1957 году, описавший такие структуры как «червоточины» (wormholes) в пространстве-времени. В научной фантастике кротовые норы стали одним из популярных способов межзвёздных путешествий, однако в реальной физике они остаются чисто теоретическими объектами: ни одного наблюдательного подтверждения их существования не получено.

¶Происхождение понятия

Идея «короткого пути» через искривлённое пространство возникла ещё до появления самой концепции кротовой норы. В 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен, работая над решением уравнений общей теории относительности (ОТО), описали так называемый мост Эйнштейна — Розена (ER-мост): решение, в котором две области пространства соединены «горлом» через пространство-времени. Работа была опубликована в Physical Review под названием «The Particle Problem in the General Theory of Relativity». Первоначально Эйнштейн и Розен рассматривали такой мост как возможную модель элементарной частицы, а не как путь для путешествий.

Термин «кротовая нора» появился в 1957 году в статье Джона Арчибальда Уилера и Чарльза Мизнера «Geometry of a Wormhole», где они предложили образ «червоточины», проходящей сквозь толщу пространства-времени, подобно ходу крота в земле. Именно отсюда происходит русскоязычный перевод «кротовая нора».

¶Математическая модель

В общих чертах кротовая нора описывается как связка двух асимптотически плоских (или де Ситтеровских) областей пространства-времени через узкое «горло». Стандартная метрика Морриса — Торна (1988), названная в честь Кипа Торна и его студента Майкла Морриса, описывает статическую сферически симметричную кротовую нору в вакууме:

ds² = −c²dt² + dl² + (b² + l²)(dθ² + sin²θ dφ²),

где l — координата вдоль туннеля, b — радиус горла. Для существования такой структуры в рамках ОТО необходимо наличие экзотической материи — вещества, нарушающего энергетические условия (в частности, условие слабой энергетической неприкосновенности, WEC). Экзотическая материя обладает отрицательной энергетической плотностью и отталкивается гравитацией, что теоретически предотвращает схлопывание горла.

¶Свойства и классификация

По свойствам кротовые норы разделяют на несколько типов:

• Проходимые (traversable) — такие, через которые теоретически возможно прохождение вещества и сигнала. Требуют экзотической материи.
• Непроходимые — горло схлопывается быстрее, чем через него может пройти свет; существование таких нор в принципе допускается решениями уравнений Эйнштейна, но они бесполезны для сообщения.
• Статические и динамические — первые не изменяются со временем, вторые расширяются или сжимаются.
• Межпространственные — соединяют отдалённые области одной вселенной.
• Межвременные — теоретически позволяют перемещение во времени, что порождает проблему причинности и парадоксов (например, парадокс близнецов или «парadox of the grandfather»).

¶Проблема экзотической материи

Главным препятствием на пути к созданию кротовой норы считается необходимость экзотической материи. В обычной физике энергетическая плотность вещества неотрицательна, а гравитация притягивает. Однако квантовая теория поля допускает локальные нарушения энергетических условий — например, эффект Казимира, при котором между двумя параллельными непроводящими пластинами возникает отрицательная энергетическая плотность вакуума. По оценкам, для стабилизации горла кротовой норы радиусом порядка метра потребовалось бы количество экзотической материи, сопоставимое с массой крупной планеты, что делает инженерную реализацию заведомо недостижимой по современным представлениям.

¶Кротовые норы и квантовая гравитация

В ряде подходов к квантовой гравитации кротовые норы играют важную роль. В 1997 году Хуан Малдасена предложил гипотезу ER = EPR, согласно которой кротовые норы (мосты Эйнштейна — Розена) могут быть эквивалентны квантовой запутанности (EPR-корреляциям) между частицами. Эта гипотеза остаётся дискуссионной, но она связывает геометрию пространства-времени с квантовой информацией.

¶Кротовые норы в астрономии

Наблюдательных признаков существования кротовых нор в космосе не обнаружено. Периодически появляются сообщения о возможных кандидатах — например, некоторые исследователи предлагали рассматривать гамма-вспышки необычной формы или гравитационно-линзированные объекты как потенциальные сигналы кротовых нор, но эти интерпретации не получили подтверждения. В 2022 году группа астрофизиков из Университета Бата (Великобритания) опубликовала работу, в которой предположила, что некоторые быстрые радиовсплески (FRB) могли бы объясняться сигналами, прошедшими через кротовые норы, однако это предположение остаётся спекулятивным.

¶Кротовые норы в культуре

В научной фантастике кротовые норы используются как сюжетный инструмент для межзвёздных путешествий. Наиболее известные примеры — роман Карла Сагана «Контакт» (1985), по которому снят одноимённый фильм 1997 года с Джоди Фостер в главной роли; фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар» (2014), в котором консультантом выступил Кип Торн (лауреат Нобелевской премии по физике 2017 года за работы по гравитации и чёрным дырам); сериал «Звёздные врата» (1997—2011), где кротовая нора используется как средство мгновенного перемещения между планетами. В русскоязычной фантастике тема кротовых нор разрабатывалась, в частности, в произведениях братьев Стругацких.

¶Перспективы исследования

Изучение кротовых нор ведётся преимущественно в рамках математической физики и теории относительности. Экспериментальная проверка существования таких объектов на данный момент невозможна. Некоторые теоретики допускают, что кротовые норы могли возникнуть в ранней Вселенной в результате квантовых флуктуаций, однако подтвердить или опровергнуть это предположение современные методы наблюдения не позволяют.

¶Источники

• Misner C. W., Thorne K. S., Wheeler J. A. Gravitation. — San Francisco: W. H. Freeman, 1973.
• Morris M. S., Thorne K. S. Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel // American Journal of Physics. — 1988. — Vol. 56. — P. 395—412.
• Einstein A., Rosen N. The Particle Problem in the General Theory of Relativity // Physical Review. — 1935. — Vol. 48. — P. 73—77.
• Visser M. Lorentzian Wormholes: From Einstein to Hawking. — New York: AIP Press, 1995.
• Maldacena J., Susskind L. Cool horizons for entangled black holes // Fortschritte der Physik. — 2013. — Vol. 61. — P. 781—811.