Кротовая нора

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Общая теория относительности
Гравитация
Математическая формулировка
Космология
См. также: Портал:Физика

Крото́вая нора́, также «крото́вина»/«кротови́на»[1] или «червото́чина» (последнее является дословным переводом англ. wormhole) — гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве. Эти области могут быть как связаны и помимо кротовой норы, представляя собой области единого пространства (см. пример на рисунке ниже), так и полностью разъединены, представляя собой отдельные пространства, связанные между собой только посредством кротовой норы.

Червоточины согласуются с общей теорией относительности, но неизвестно, существуют ли червоточины на самом деле.

Визуализация[править | править код]

Двумерное сечение (опущены время и одна угловая координата) простой кротовой норы, представляющее собой два устья (отверстия), соединённые горловиной, которые открываются в удалённые друг от друга части Вселенной.

Для упрощённого представления о червоточине пространство представляется как двумерная (2D) поверхность. В этом случае червоточина будет выглядеть как отверстие в этой поверхности, переходящее в трёхмерную трубу (внутреннюю поверхность цилиндра), а затем вновь появляться в другом месте на двухмерной поверхности с отверстием, похожим на вход. Отличие реальной червоточины заключалось бы в числе пространственных измерений, которых было бы три. Например, вместо круглых входных и выходных отверстий в 2D-плоскости были бы сферы в 3D-пространстве.

Другой способ представить себе червоточины — взять лист бумаги и нарисовать две отдалённые точки на одной стороне листа. Лист бумаги представляет плоскость в пространственно-временном континууме, а две точки представляют расстояние, которое необходимо пройти. Однако теоретически червоточина может соединить эти две точки, если сложить эту плоскость так, чтобы точки касались друг друга. Поскольку две точки теперь соприкасаются, то пересечь расстояние будет намного легче.

Кротовые норы в общей теории относительности[править | править код]

Общая теория относительности (ОТО) допускает существование таких туннелей, хотя для существования проходимой кротовой норы необходимо, чтобы она была заполнена экзотической материей с отрицательной плотностью энергии[2], создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Решения типа кротовых нор возникают в различных вариантах квантовой гравитации, хотя до полного исследования вопроса ещё очень далеко.

Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной». Кротовые норы делятся на «внутримировые» (англ. intra-universe) и «межмировые» (англ. inter-universe), в зависимости от того, можно ли соединить её входы кривой, не пересекающей горловину.

Различают также проходимые (англ. traversable) и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которые коллапсируют слишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал (имеющие скорость не выше световой) успели добраться от одного входа до другого. Классический пример непроходимой кротовины — мост Эйнштейна — Розена в максимально расширенном пространстве Шварцшильда, а проходимой — кротовины Морриса — Торна.

Проходимая внутримировая кротовая нора даёт гипотетическую возможность путешествий во времени[источник не указан 782 дня], если, например, один из её входов движется относительно другого, или если он находится в сильном гравитационном поле, где течение времени замедляется. Также кротовые норы гипотетически могут создавать возможность для межзвёздных путешествий, и в этом качестве кротовины нередко встречаются в научной фантастике.

Кротовые норы и экзотическая материя[править | править код]

Для того, чтобы понять, для чего требуется экзотическая материя, следует рассмотреть входящий сигнал светового фронта, передвигающегося вдоль геодезических, которые пересекают червоточину и вновь расширяются с другой стороны. Расширение идёт с отрицательного на положительное. Согласно оптической теореме Рейчаудхури (англ.) это требует нарушения усреднённого нулевого состояния энергии (англ.). Квантовые эффекты, такие, как эффект Казимира, не могут нарушать усреднённое нулевое состояние энергии в любой окрестности пространства с нулевой кривизной[3], но расчёты в полуклассической гравитации (англ.) предполагают, что квантовые эффекты могут нарушить это условие в искривлённом пространстве-времени[4]. Несмотря на это, было предположение, что квантовые эффекты не могут нарушать ахрональную версию усреднённого нулевого энергетического условия[5], но нарушения, тем не менее, были найдены[6], в связи с этим остаётся открытой возможность того, что квантовые эффекты могут быть использованы для поддержки червоточины.

Метрики кротовых нор[править | править код]

Теории метрик кротовых нор описывают геометрию пространства-времени кротовой норы и служат теоретическими моделями для путешествий во времени. Например, метрика проходимой кротовой норы может иметь следующий вид:

Один из типов метрики непроходимой кротовой норы является решением Шварцшильда:

Кротовые норы и квантовая запутанность[править | править код]

В статье, опубликованной в немецком журнале Fortschritte der Physik в 2013 году, Малдасена и Сасскинд заявили, что червоточина — технически мост Эйнштейна — Розена, или ЭР — является пространственно-временным эквивалентом квантовой запутанности. Это позволило разрешить проблему файервола.[7][8]

Путешествия во времени[править | править код]

Если существуют проходимые червоточины, они могут позволить путешествие во времени.[9] Предлагаемая машина времени, использующая проходимую червоточину, гипотетически будет работать следующим образом: один конец червоточины ускоряется до около световой скорости, возможно, с помощью какой-то продвинутой двигательной установки, а затем возвращается в исходную точку. Другой способ состоит в том, чтобы взять один вход в червоточину и переместить его в гравитационное поле объекта с большей гравитацией, чем второй вход, а затем вернуть его в положение рядом со вторым входом. Для обоих этих методов замедление времени приводит к тому, что для внешнего наблюдателя перемещаемый конец червоточины стареет меньше или становится «моложе» неподвижного конца. Так как время соединяется через червоточину иначе, чем снаружи, то синхронизированные часы на любом конце червоточины всегда будут оставаться синхронизированными для наблюдателя, проходящего через червоточину, независимо от движения концов.[10]:502 Это означает, что наблюдатель, входящий в «молодой» конец, выйдет из более «старого» конца во время, равное возрасту более «молодого» конца, что переместит его назад во времени с точки зрения внешнего наблюдателя. Одним существенным ограничением такой машины времени является то, что назад во времени можно переместиться только до момента создания этой машины;[10]:503

В 1993 году Мэтт Виссер утверждал, что два устья червоточины с такой индуцированной разностью часов не могут быть объединены без индукции квантового поля и гравитационных эффектов, которые либо разрушат червоточину, либо два устья будут отталкивать друг друга,[11] или в противном случае будет невозможна передача информации через червоточину.[12] Из-за этого два выхода не возможно будет расположить достаточно близко для получения нарушения причинности . Однако в статье 1997 года Виссер предположил, что сложная конфигурация «кольца Романа (англ.)» (названная в честь Тома Романа) из N червоточин, расположенных в симметричном многоугольнике, все ещё может работать как машина времени, хотя он и пришел к выводу, что это скорее всего недостаток в классической квантовой теории гравитации, а не доказательство того, что возможно нарушение причинности.[13]

Путешествия между вселенными[править | править код]

Возможное разрешение парадоксов, возникающих в результате путешествия во времени через червоточины, основано на многомировой интерпретации квантовой механики.

В 1991 году Дэвид Дойч показал, что квантовая теория полностью согласована (в том смысле, что так называемая матрица плотности может быть сделана свободной от разрывов) в пространствах-временах с замкнутыми временоподобными кривыми.[14] Однако позже было показано, что такая модель замкнутой времениподобной кривой может иметь внутренние противоречия, поскольку она приведет к таким странным явлениям, как выделение неортогональных квантовых состояний и выделение собственной и несобственной смеси.[15][16] Соответственно, предотвращена деструктивная положительная обратная связь циркулирующих через червоточину виртуальных частиц, которая является результатом полуклассических вычислений. Частица, возвращающаяся из будущего, возвращается не в свою исходную вселенную, а в параллельную вселенную. Это говорит о том, что машина времени на основе червоточины является теоретическим мостом между одновременными параллельными вселенными.[17]

Поскольку машина времени на основе червоточины вводит в квантовую теорию тип нелинейности, этот вид связи между параллельными вселенными согласуется с предложением Джозефа Полчински о телефоне Эверетта[18] (названного в честь Хью Эверетта) в формулировке нелинейная квантовая механика Стивена Вайнберга.[19]

Возможность связи между параллельными вселенными была названа путешествием между вселенными (англ: interuniversal travel).[20]

Люди, внёсшие вклад в развитие теории[править | править код]

  • Джон Арчибальд Уилер. Ввёл в физику само понятие кротовой норы включая её название (wormhole). Развил теорию заряда без заряда, по которой электрического заряда как отдельной субстанции не существует, а то, что мы воспринимаем как заряженные частицы, суть горловины микроскопических кротовин, пронизанных электрическим полем.
  • Кип Торн и Майкл Моррис. Привлекли внимание к связи между существованием кротовых нор и нарушением причинности.
  • Мэтт Виссер. Опубликовал этапную книгу Lorentzian wormholes: from Einstein to Hawking, в которой подведены итоги развития теории кротовых нор к 1995 г.
  • Сергей Сушков. Выдвинул идею самоподдерживающейся кротовой норы, которая удерживается от коллапса поляризацией вакуума, вызванной геометрией этой норы.
  • Сергей Красников показал, что пустые кротовые норы, возникшие в ранней Вселенной, могут оставаться проходимыми в течение макроскопического времени за счёт механизма Сушкова.
  • Никола́й Семёнович Кардашёв популяризировал идею, что в центре галактик находятся не массивные чёрные дыры, а устья кротовых нор[21].

Примечания[править | править код]

  1. https://slovar.cc/rus/efremova-tolk/298087.html
  2. Космос-журнал: Кротовая нора
  3. Fewster C.J., Olum K.D., Pfenning M.J. Averaged null energy condition in spacetimes with boundaries // Phys. Rev. D. — 2007. — Vol. 75, No. 2. — DOI:10.1103/PhysRevD.75.025007.
  4. Visser M. Gravitational vacuum polarization. II. Energy conditions in the Boulware vacuum // Physical Review D. — Vol. 54, No. 8. — DOI:10.1103/PhysRevD.54.5116.
  5. Graham N., Olum K.D. Achronal averaged null energy condition // Physical Review D. — 2007. — Vol. 76, No. 6. — DOI:10.1103/PhysRevD.76.064001.
  6. Urban D., Olum K.D. Spacetime averaged null energy condition // Physical Review D. — 2010. — Vol. 81, No. 6. — DOI:10.1103/PhysRevD.81.124004.
  7. Квантовая запутанность и червоточины могут быть тесно связаны. hi-news.ru. Дата обращения 11 октября 2015.
  8. Хуан Малдасена Чёрные дыры, кротовые норы и секреты квантового пространства-времени // В мире науки. — 2017. — № 1/2. — С. 82-89.
  9. Michael; Morris. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1988. — Vol. 61, no. 13. — P. 1446—1449. — DOI:10.1103/PhysRevLett.61.1446. — Bibcode1988PhRvL..61.1446M. — PMID 10038800.
  10. 1 2 Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps. — W. W. Norton, 1994. — ISBN 978-0-393-31276-8.
  11. Matt (англ.). From wormhole to time machine: Comments on Hawking's Chronology Protection Conjecture (англ.) // Physical Review D : journal. — 1993. — Vol. 47, no. 2. — P. 554—565. — DOI:10.1103/PhysRevD.47.554. — Bibcode1993PhRvD..47..554V. — arXiv:hep-th/9202090.
  12. Visser, Matt (2002), "The quantum physics of chronology protection", arΧiv:gr-qc/0204022 
  13. Matt (англ.). Traversable wormholes: the Roman ring (англ.) // Physical Review D : journal. — 1997. — Vol. 55, no. 8. — P. 5212—5214. — DOI:10.1103/PhysRevD.55.5212. — Bibcode1997PhRvD..55.5212V. — arXiv:gr-qc/9702043.
  14. David; Deutsch. Quantum Mechanics Near Closed Timelike Lines (англ.) // Physical Review D : journal. — 1991. — Vol. 44, no. 10. — DOI:10.1103/PhysRevD.44.3197. — Bibcode1991PhRvD..44.3197D.
  15. Brun et al. Localized Closed Timelike Curves Can Perfectly Distinguish Quantum States (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2009. — Vol. 102, no. 21. — DOI:10.1103/PhysRevLett.102.210402. — Bibcode2009PhRvL.102u0402B. — arXiv:0811.1209. — PMID 19519086.
  16. Pati. Purification of mixed states with closed timelike curve is not possible (англ.) // Physical Review A : journal. — 2011. — Vol. 84, no. 6. — DOI:10.1103/PhysRevA.84.062325. — Bibcode2011PhRvA..84f2325P. — arXiv:1003.4221.
  17. Rodrigo, Enrico. The Physics of Stargates. — Eridanus Press, 2010. — P. 281. — ISBN 978-0-9841500-0-7.
  18. Joseph; Polchinski. Weinberg's Nonlinear quantum Mechanics and the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1991. — Vol. 66, no. 4. — P. 397—400. — DOI:10.1103/PhysRevLett.66.397. — Bibcode1991PhRvL..66..397P. — PMID 10043797.
  19. Enrico Rodrigo, The Physics of Stargates: Parallel Universes, Time Travel, and the Enigma of Wormhole Physics, Eridanus Press, 2010, p. 281.
  20. Samuel Walker, "Inter-universal travel: I wouldn’t start from here, New Scientist (1 February 2017).
  21. Понизовкин А. Академик Н.С. Кардашев: «Астрофизика объединяет человечество» // Наука Урала. — 2015. — № 3 (1112).

Литература[править | править код]

Ссылки[править | править код]