ЧЕРВОТОЧИНА: ИСТОРИЯ, ТЕОРИЯ, ВИДЫ, ФОРМИРОВАНИЕ - ARTE - 2024

Червоточины , в астрофизике и космологии, является канал , соединяющий две точки в ткани пространства-времени. Подобно тому, как падающее яблоко вдохновило Исаака Ньютона на теорию гравитации в 1687 году, черви, пронзающие яблоки, вдохновили на создание новых теорий, в том числе в рамках гравитации.

Подобно тому, как червю удается достичь другой точки на поверхности яблока через туннель, пространственно-временные червоточины являются теоретическим сокращением, позволяющим ему путешествовать в отдаленные части Вселенной за меньшее время.

Пространственно-временная червоточина: художественное видение. Источник: Pixabay.

Это идея, которая захватила и продолжает захватывать воображение многих. Тем временем космологи ищут способы доказать его существование. Но на данный момент они все еще являются предметом спекуляций.

Чтобы немного приблизиться к пониманию кротовых нор, возможности путешествия через них во времени и различий, существующих между кротовыми норами и черными дырами, мы должны взглянуть на концепцию пространства-времени.

Что такое пространство-время?

Концепция пространства-времени тесно связана с концепцией червоточины. Вот почему необходимо сначала установить, что это такое и какова его основная характеристика.

Пространство-время - это место, где происходит каждое событие во Вселенной. А Вселенная, в свою очередь, представляет собой совокупность пространства-времени, способного вместить все формы материи-энергии и многое другое …

Когда жених встречает невесту, это событие, но у этого события есть пространственные координаты: место встречи. И временная координата: год, месяц, день и время встречи.

Рождение звезды или взрыв сверхновой - это тоже события, происходящие в пространстве-времени.

Теперь в области Вселенной, свободной от массы и взаимодействий, пространство-время плоское. Это означает, что два световых луча, которые начинаются параллельно, продолжаются так, пока остаются в этой области. Кстати, для луча света время вечно.

Конечно, пространство-время не всегда плоское. Вселенная содержит объекты, обладающие массой, которые изменяют пространство-время, вызывая искривление пространства-времени во всемирном масштабе.

Сам Альберт Эйнштейн в момент вдохновения, который он назвал «самой счастливой идеей в моей жизни», осознал, что ускоренный наблюдатель локально неотличим от наблюдателя, находящегося вблизи массивного объекта. Это знаменитый принцип эквивалентности.

А ускоренный наблюдатель искривляет пространство-время, то есть евклидова геометрия больше не действует. Следовательно, в среде массивного объекта, такого как звезда, планета, галактика, черная дыра или сама Вселенная, пространство-время искривляется.

Эта кривизна воспринимается людьми как сила тяжести, повседневная, но в то же время таинственная.

Гравитация так же загадочна, как сила, которая тянет нас вперед, когда автобус, в котором мы едем, резко тормозит. Как будто внезапно что-то невидимое, темное и массивное на несколько мгновений выходит вперед и притягивает нас, внезапно толкает вперед.

Планеты движутся по эллипсу вокруг Солнца, потому что его масса создает углубление в поверхности пространства-времени, которое заставляет планеты изгибать свои траектории. Луч света также изгибает свой путь вслед за пространственно-временной депрессией, создаваемой Солнцем.

Туннели сквозь пространство - время

Если пространство-время представляет собой искривленную поверхность, в принципе ничто не мешает одной области соединяться с другой через туннель. Путешествие через такой туннель означает не только смену мест, но также дает возможность отправиться в другое время.

Эта идея вдохновила множество научно-фантастических книг, сериалов и фильмов, в том числе знаменитый американский сериал 1960-х годов «Туннель во времени», а также недавний «Глубокий космос 9» из франшизы «Звездный путь» и фильм 2014 года «Интерстеллар».

Идея пришла от самого Эйнштейна, который в поисках решений уравнений поля общей теории относительности нашел вместе с Натаном Розеном теоретическое решение, которое позволило соединить две разные области пространства-времени через туннель, который служил кратчайшим путем.

Это решение известно как мост Эйнштейна-Розена и фигурирует в работе, опубликованной в 1935 году.

Однако термин «червоточина» был впервые использован в 1957 году благодаря физикам-теоретикам Джону Уиллеру и Чарльзу Миснеру в публикации того года. Раньше для обозначения той же идеи говорили об «одномерных трубках».

Позже, в 1980 году, Карл Саган писал научно-фантастический роман «Контакт», книгу, по которой позже был снят фильм. Главный герой по имени Элли обнаруживает разумную внеземную жизнь на расстоянии 25 тысяч световых лет от нас. Карл Саган хотел, чтобы Элли поехала туда, но так, чтобы это было научно достоверным.

Путешествие на 25 тысяч световых лет от нас - непростая задача для человека, если не найти кратчайшего пути. Черная дыра не может быть решением, поскольку при приближении к сингулярности дифференциальная гравитация разорвет космический корабль и его команду.

В поисках других возможностей Карл Саган проконсультировался с одним из ведущих экспертов по черным дырам того времени: Кипом Торном, который задумался над этим и понял, что мосты Эйнштейна-Розена или червоточины Уиллер был решением.

Однако Торн также понял, что математическое решение было нестабильным, то есть туннель открывается, но вскоре после этого задыхается и исчезает.

Неустойчивость кротовых нор

Можно ли использовать кротовые норы для путешествий на большие расстояния во времени и пространстве?

С момента своего изобретения кротовые норы использовались в многочисленных научно-фантастических сюжетах, чтобы увести своих героев в отдаленные места и испытать парадоксы нелинейного времени.

Кип Торн нашел два возможных решения проблемы нестабильности червоточин:

• Через так называемую квантовую пену. В масштабе Планка ( ^10-35 м) существуют квантовые флуктуации, способные соединить две области пространства-времени через микротоннели. Гипотетическая очень развитая цивилизация могла найти способ расширить проходы и удерживать их достаточно долго, чтобы мог пройти человек.
• Материя с отрицательной массой. Согласно оценкам, опубликованным в 1990 году самим Торном, потребуется огромное количество этого постороннего вещества, чтобы держать концы червоточины открытыми.

В этом последнем решении замечательно то, что, в отличие от черных дыр, здесь нет сингулярности или квантовых явлений, и проход людей через туннель такого типа был бы возможен.

Таким образом, червоточины позволили бы не только соединять далекие области в космосе, но и разделять их во времени. Следовательно, они являются машинами для путешествий во времени.

Стивен Хокинг, великий специалист по космологии в конце 20-го века, не верил, что ни кротовые норы, ни машины времени возможны, из-за множества парадоксов и противоречий, которые возникают из них.

Это не испугало других исследователей, которые предположили возможность того, что две черные дыры в разных областях пространства-времени внутренне связаны червоточиной.

Хотя это было бы непрактично для путешествий в пространстве-времени, поскольку, помимо невзгод, которые принесет вхождение в сингулярность черной дыры, не было бы возможности выхода на другом конце, поскольку это еще одна черная дыра.

Отличия черных дыр от кротовых нор

Когда вы говорите о червоточине, вы сразу же думаете о черных дырах.

Черная дыра образуется естественным образом после эволюции и смерти звезды, имеющей определенную критическую массу.

Он возникает после того, как звезда исчерпает свое ядерное топливо и начинает необратимо сжиматься под действием собственной гравитационной силы. Он продолжается без устали, пока не вызовет такой коллапс, что ничто ближе, чем радиус горизонта событий, не сможет ускользнуть, даже свет.

Для сравнения, червоточина - редкое явление, следствие гипотетической аномалии кривизны пространства-времени. Теоретически их можно пройти.

Однако, если кто-то попытается пройти через черную дыру, сильная гравитация и экстремальное излучение в непосредственной близости от сингулярности превратят ее в тонкую нить субатомных частиц.

Есть косвенные и лишь совсем недавно прямые доказательства существования черных дыр. Среди этих свидетельств - излучение и обнаружение гравитационных волн за счет притяжения и вращения двух колоссальных черных дыр, обнаруженных обсерваторией гравитационных волн LIGO.

Есть свидетельства того, что сверхмассивная черная дыра существует в центре больших галактик, таких как наш Млечный Путь.

Быстрое вращение звезд около центра, а также огромное количество высокочастотного излучения, которое исходит оттуда, являются косвенным свидетельством того, что существует огромная черная дыра, которая объясняет наличие этих явлений.

Только 10 апреля 2019 года миру была показана первая фотография сверхмассивной черной дыры (в 7 миллиардов раз больше массы Солнца), расположенной в очень далекой галактике: Мессье 87 в созвездии Девы с массой 55 миллионов. световых лет от Земли.

Эта фотография черной дыры стала возможной благодаря всемирной сети телескопов, названной "Event Horizon Telescope", в которой приняли участие более 200 ученых со всего мира.

С другой стороны, на сегодняшний день нет никаких свидетельств существования червоточин. Ученые смогли обнаружить и отследить черную дыру, однако с червоточинами сделать то же самое не удалось.

Следовательно, они являются гипотетическими объектами, хотя теоретически возможными, как когда-то и черные дыры.

Разновидности / типы червоточин

Хотя они еще не были обнаружены, или, возможно, именно из-за этого, были представлены разные возможности для червоточин. Все они теоретически возможны, поскольку удовлетворяют уравнениям Эйнштейна для общей теории относительности. Вот некоторые:

• Червоточины, соединяющие две области пространства-времени одной и той же вселенной.
• Червоточины, способные соединить одну вселенную с другой вселенной.
• Мосты Эйнштейна-Розена, в которых материя могла переходить от одного проема к другому. Хотя этот проход вещества может вызвать нестабильность, в результате чего туннель разрушится сам по себе.
• Червоточина Кипа Торна со сферической оболочкой из вещества отрицательной массы. Он устойчив и проходим в обоих направлениях.
• Так называемая червоточина Шварцшильда, состоящая из двух связанных статических черных дыр. Они не проходимы, поскольку материя и свет зажаты между двумя крайностями.
• Загруженные и / или вращающиеся червоточины Керра, состоящие из двух внутренне связанных динамических черных дыр, проходимых только в одном направлении.
• Квантовая пена пространства-времени, существование которой теоретизируется на субатомном уровне. Пена состоит из очень нестабильных субатомных туннелей, соединяющих разные зоны. Для их стабилизации и расширения потребуется создание кварк-глюонной плазмы, для генерации которой потребуется почти бесконечное количество энергии.
• Совсем недавно, благодаря теории струн, появились теории о червоточинах, поддерживаемых космическими струнами.
• Переплетенные, а затем разделенные черные дыры, из которых возникает дыра в пространстве-времени, или мост Эйнштейна-Розена, удерживаемый гравитацией. Это теоретическое решение, предложенное в сентябре 2013 года физиками Хуаном Малдасена и Леонардом Сасскинд.

Все они вполне возможны, поскольку не противоречат уравнениям общей теории относительности Эйнштейна.

Будут ли когда-нибудь видны червоточины?

Долгое время черные дыры были теоретическим решением уравнений Эйнштейна. Сам Эйнштейн сомневался в возможности того, что они когда-либо будут обнаружены человечеством.

Альберт Эйнштейн (1879-1955), автор теории относительности. Источник: Pixabay.

Так что в течение долгого времени черные дыры оставались теоретическим предсказанием, пока их не нашли и не обнаружили. У ученых такая же надежда на кротовые норы.

Вполне возможно, что они тоже там есть, но еще не научились их определять. Хотя, согласно недавней публикации, червоточины оставляют следы и тени, которые можно наблюдать даже в телескопы.

Считается, что фотоны перемещаются вокруг червоточины, образуя светящееся кольцо. Ближайшие фотоны попадают внутрь и оставляют за собой тень, которая позволяет отличить их от черных дыр.

По словам Раджибула Шейха, физика из Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, Индия, вращающаяся червоточина создаст большую и искаженную тень, чем тень черной дыры.

В своей работе Шейх изучил теоретические тени, отбрасываемые определенным классом вращающихся червоточин, сосредоточив внимание на решающей роли горловины дыры в формировании фотонной тени, которая позволяет идентифицировать ее и отличать от черной дыры.

Шейх также проанализировал зависимость тени от вращения червоточины и также сравнил ее с тенью, отбрасываемой вращающейся черной дырой Керра, обнаружив значительные различия. Это полностью теоретическая работа.

Кроме того, на данный момент червоточины остаются математическими абстракциями, но возможно, что некоторые из них будут обнаружены очень скоро. То, что находится в другой крайности, пока еще остается предметом предположений.

Ссылки

1. Квантовая запутанность может вызвать гравитацию. Взято с Cienciaaldia.com
2. Progress of Physics, Том 61, Выпуск сентябрь 2013 г. Стр. 781-811
3. Червоточины. Взято с wikipedia.org
4. Пространство-время. Взято с wikipedia.org.
5. Дэвид Нилд (2018). Сумасшедшая новая газета предполагает, что червоточины отбрасывают тени, которые мы можем легко увидеть в телескопы. Взято с сайта sciencealert.com