Путешествие по вселенным: астрофизик — о проницаемости «кротовых нор» в искривлённом пространстве-времени

Согласно общей теории относительности, гравитация способна искривлять пространство-время. Сильнейшие искривления могут превращаться в «кротовые норы» — так астрофизики называют гипотетические тоннели в пространстве-времени, соединяющие разные области одной или разных вселенных. Считалось, что путешествия сквозь эти «норы» возможны только при наличии в них пока не открытой материи, плотность которой растёт при увеличении объёма. Однако учёные из Российского университета дружбы народов (РУДН) рассчитали, что при определённых условиях эту роль может выполнять обычная пылевидная материя. Об этом в интервью RT рассказал доктор физико-математических наук профессор Учебно-научного института гравитации и космологии РУДН Кирилл Бронников. Он объяснил, при каких условиях физическое тело может пройти через такой тоннель, а также рассказал, возможны ли с точки зрения физики путешествия во времени.

• Gettyimages.ru
• © MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY

— Ваша научная группа представила теоретические доказательства проходимости для света «кротовых нор» в модели расширяющейся вселенной Фридмана без присутствия в них так называемой экзотической материи. Раньше это считалось невозможным. Что с точки зрения современной науки представляют собой «кротовые норы» и экзотическая материя?

— Как известно, общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна, а также её многочисленные обобщения отождествляют гравитационное поле с кривизной пространства-времени. В обычных условиях эта кривизна очень мала. Но широко известны примеры объектов с очень сильным искривлением — это чёрные дыры и «кротовые норы». «Кротовая нора» — такое искривление пространства, которое можно представить в виде тоннеля, соединяющего какие-то слабо искривлённые области. Эти области могут принадлежать одной вселенной, а могут — разным. 

В определённом смысле «кротовые норы» устроены проще, чем чёрные дыры: в них нет горизонтов событий, с которых не может вырваться даже свет. Но для существования стабильной «кротовой норы» требуется так называемая экзотическая материя — очень странная субстанция с отрицательной плотностью. Её плотность увеличивается при растяжении — в противоположность обычному веществу. Такая материя пока не найдена ни на Земле, ни в космосе, и «кротовые норы» остаются лишь весьма интересной, но гипотетической возможностью.

— К каким основным выводам вам удалось прийти? 

— Основной вывод — возможность существования «кротовых нор» в расширяющейся Вселенной с самой обычной пылевидной материей, состоящей из невзаимодействующих частиц, вернее взаимодействующих только через гравитационное поле. В роли таких частиц могут выступать, например, звёзды или даже галактики. Однако горловина такой «кротовой норы», то есть самая узкая часть тоннеля, не может существовать особенно долго и схлопывается за время, малое по сравнению со временем жизни Вселенной. Тем не менее она живёт достаточно долго, чтобы через неё успели проскочить фотоны — то есть световое или радиоизлучение — или достаточно быстро движущиеся частицы.

• Искривление пространства-времени
• Gettyimages.ru
• © MARK GARLICK/SPL

Если не требовать постоянного, стабильного существования «кротовой норы», то необходимость в экзотической материи отпадает, а пылевидная материя вполне сохраняет свои обычные свойства и не играет никакой несвойственной ей роли. Эффект возможного временного появления «кротовой норы» в этих условиях зависит, можно сказать, от начальных условий: требуется определённый вид распределения плотности пылевидной материи в начальный момент, а также определённый вид распределения начальных скоростей частиц. Иными словами, чтобы запустить нужный процесс, необходимо обеспечить подходящие для этого начальные условия — аналогично многим другим процессам.

— Верно ли, что обязательным условием для возникновения «кротовых нор» в пространственно-временном континууме является сильнейшее гравитационное воздействие, которое искажает пространство и время?

— Действительно, будучи примером сильного искривления пространства-времени, «кротовая нора» содержит очень сильные гравитационные поля приливного типа, сжимающие или растягивающие любое тело конечных размеров. Расчёт показывает, что в «кротовых норах», в которых размеры горловины сравнимы с размерами человеческого тела или каких-то транспортных средств — скажем, несколько десятков метров, — возникают огромные перегрузки, несовместимые с жизнью. Чтобы силы, возникающие в области горловины, не слишком превышали обычную земную силу тяжести, надо, чтобы размеры такой горловины были как минимум порядка размеров земного шара.

— Есть ли какие-то эмпирические наблюдения, подтверждающие возможность существования «кротовых нор» во Вселенной?

— Есть теоретические оценки, сделанные по результатам наблюдений наиболее мощных процессов во Вселенной. В принципе, они допускают интерпретацию с участием «кротовых нор». Однако пока нет никаких однозначных указаний на существование таких тоннелей.

• Gettyimages.ru
• © Dawam Syah / 500px

— Существует гипотеза, что, помимо чёрных дыр, во Вселенной есть и белые — если чёрные дыры материя не может покинуть, то в белые не может попасть…

— Гипотеза существует по очень простой причине: уравнения ОТО (как и большинства теорий) симметричны относительно замены времени на минус время. Белая дыра — это чёрная дыра, обращённая в прошлое вместо будущего. Но если вполне понятно, как может образоваться чёрная дыра — за счёт катастрофического сжатия большого куска материи, то для белых дыр подобный механизм неизвестен, потому и неудивительно, что они не наблюдаются.

— «Кротовая нора» соединяет разные точки не только в пространстве, но и во времени, поскольку искривляется весь пространственно-временной континуум. Возможны ли в теории путешествия во времени? Противоречит ли идея создания машины времени базовым постулатам физики?

— Да, противоречит принципу причинности: причина должна предшествовать следствию во времени. Хотя написать соответствующие решения уравнений возможно, нужно понимать, что не всякое решение даже правильного уравнения описывает явления в реальном мире.

— Для окончательных ответов на все вопросы о «кротовых норах» в пространстве-времени наука должна сначала найти ответы на вопросы о квантовой природе гравитации? Что на сегодняшний день известно о ней, есть ли частицы — кандидаты на роль переносчиков гравитационного взаимодействия?

— На будущую квантовую теорию гравитации с гипотетическими гравитонами — переносчиками гравитационного взаимодействия — возлагается много надежд. Но, пожалуй, на все вопросы никогда не ответит ни одна теория. «Кротовые норы» — объект не обязательно квантовый, и новых сведений о них можно ожидать также и от классических теорий гравитации в сочетании с астрофизикой.

• Gettyimages.ru
• © Randy Faris

— Говорят, в естественной природе «кротовые норы» вряд ли существуют, хотя и возможны с точки зрения физики, а создать такие тоннели должен сам человек. Так ли это? Какие для этого нужны технологии?

— Если человечество научится управлять кривизной пространства-времени, не прибегая к использованию огромных масс типа планетарных или звёздных, то среди прочих пока немыслимых достижений можно ожидать и создания «кротовых нор».

Источник