Кротовая нора: что это такое и существуют ли туннели в пространстве-времени

В научной фантастике кротовая нора — это портал, который может привести в другую эпоху в далекой галактике за пределами Солнечной системы. В теоретической физике это особая структура в пространстве-времени, которая может соединять разные уголки Вселенной. В статье рассказываем про кротовые норы подробнее и разбираемся, существуют ли они на самом деле.

• Кротовая нора — это гипотетический туннель в пространстве-времени, предсказанный теорией относительности, который может соединять удаленные области Вселенной.

• Она отличается от черной дыры тем, что является мостом или проходом, а не гравитационной ловушкой с сингулярностью и горизонтом событий.

• Неизвестно, существуют ли кротовые норы на самом деле, так как их пока не обнаружили, но их поиск ведется через анализ гравитационных волн, реликтового излучения и квантовые симуляции.

Кротовая нора, или червоточина, — это гипотетический топологический тоннель в пространстве-времени. Ее существование допускается Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Проще всего представить ее на двухмерной модели. Если нарисовать две точки на противоположных краях листа бумаги, путь между ними будет долгим. Но если согнуть лист так, чтобы точки совместились, и проткнуть его, получится очень короткий проход. Пересечь его можно мгновенно. В трехмерном мире «лист» — это само пространство, а «отверстия» — сферические области, называемые устьями норы, которые соединены «горловиной».

Визуализировать реальную кротовую нору сложно, так как мы не можем видеть пространство-время извне. Однако математические модели описывают ее как объект, у которого нет центральной сингулярности — точки бесконечной плотности, как у черной дыры. Проходимая кротовая нора в теории выглядела бы как сфера, внутри которой виден искаженный свет из другой части космоса или другой вселенной. Ключевая проблема в том, что согласно классическим расчетам, такой тоннель должен мгновенно коллапсировать под действием собственной гравитации.

Хотя внешне устья некоторых кротовых нор могут напоминать черные дыры, это принципиально разные объекты с разным предназначением в структуре реальности.

• Черная дыра — это гравитационная ловушка. Ее главный атрибут — горизонт событий, граница, из-за пределов которой ничто, даже свет, не может вернуться. За горизонтом находится сингулярность, где известные законы физики перестают работать. Черная дыра в классическом представлении ведет в никуда: она только поглощает материю.

• Кротовая нора — это мост или туннель. Ее главный атрибут — возможность соединения двух удаленных областей пространства-времени. У нее может и не быть горизонта событий. Даже если он есть, важнейшее отличие — отсутствие сингулярности в горловине. В идеальной проходимой норе объект, влетев в одно устье, должен безопасно вылететь из другого, не будучи разорванным.

Некоторые теоретические модели даже предполагают, что черные дыры могут скрывать в себе входы в кротовые норы, но проверить это, попав за горизонт событий, пока невозможно.

Если коротко: человечество пока не знает. Ни одной кротовой норы еще не обнаружили. Но это не значит, что из нет. Существование червоточин остается предположением, которое современная астрофизика пытается проверить косвенными методами.

Физики рассматривают два сценария: существование микроскопических и макроскопических нор.

• Микроскопические (квантовые) кротовые норы могли возникать в момент Большого взрыва и существовать на уровне планковских масштабов, постоянно рождаясь и исчезая в квантовой пене пространства-времени. Обнаружить их современными инструментами практически невозможно.

• Макроскопические норы, через которые мог бы пройти космический корабль, потребовали бы для своей стабилизации наличия так называемой экзотической материи. Это гипотетическая форма материи, создающая отрицательное давление (отрицательную плотность энергии), которое противодействовало бы гравитационному коллапсу тоннеля.

Ученые ищут следы таких объектов несколькими способами.

1. Анализ гравитационных волн. Детекторы LIGO и Virgo улавливают рябь пространства-времени от слияния массивных объектов. Теоретически слияние двух кротовых нор породило бы уникальный сигнал с характерным «эхом», которого нет у черных дыр.

2. Анализ реликтового излучения. Если предположить, что кротовые норы существовали уже в ранней Вселенной, они могли бы повлиять на распределение материи. Например, создать необычные перепады температуры теплового «эха» после Большого взрыва. Такие искажения существуют, ученые анализируют их, чтобы узнать больше.  

3. Квантовые симуляции. Ученые используют квантовые компьютеры для моделирования упрощенных версий кротовых нор, чтобы изучать их свойства, например, передачу информации, аналогичную квантовой телепортации.

Пока прямых доказательств нет, но сам поиск расширяет понимание гравитации, квантовой механики и структуры Вселенной.

Для создания стабильной макроскопической норы потребовалось бы колоссальное количество экзотической материи с отрицательной энергией. Расчеты показывают, что для норы радиусом в один метр может понадобиться энергия, сравнимая с излучением нескольких Солнц за миллионы лет. С текущим уровнем технологий это неосуществимо. Микроскопические норы, возможно, будут созданы на ускорителях будущего, если удастся достичь планковских энергий.

Проверить получится, только если их найдут. Но в теории у путешествия сродни тому, что показано в «Интерстелларе», есть несколько препятствий. Во-первых, вероятно, в «горловине» кротовых нор существуют плазменные вихри. Их температура выше, чем ядра Солнца — такую не выдержит ни один космический корабль. Во-вторых, по теоретическим моделям, полет через кротовую нору может длиться всего пару секунд — для путешественника. Для внешнего наблюдателя течение времени иное: перелет способен занять тысячу лет и больше. В-третьих, чтобы стабилизировать кротовые норы, нужна экзотическая материя с отрицательной энергией. В-четвертых, чтобы пройти через кротовую нору, нужно достичь скорости, близкой к световой. А значит, корпус корабля должен выдержать огромные перегрузки, экипаж тоже. Пока технологий, которые позволяют сделать это, не существует. 

Это гипотетическая форма материи, которая создает отрицательное давление, отталкивая, а не притягивая объекты под действием гравитации. В малых количествах эффекты, аналогичные ее свойствам, наблюдаются в квантовой физике — например, эффект Казимира, когда две близко расположенные пластины в вакууме испытывают силу притяжения из-за колебаний виртуальных частиц. Однако масштабировать этот эффект до уровня, необходимого для удержания открытой космической червоточины, пока не представляется возможным.