Можно ли путешествовать сквозь кротовые норы? Объясняет физика
В фильме «Интерстеллар» 2014 года корабль главного героя проходит через кротовую нору на орбите Сатурна и попадает в другую звёздную систему. Несмотря на фантастичность такого перемещения, гипотетически это возможно. Однако в реальности есть несколько «но». Разберёмся, как формируются такие тоннели и можно ли через них путешествовать в пространстве.
Что такое кротовая нора
Кротовая нора или червоточина — это гипотетическая топологическая особенность, которая соединяет две удалённые точки пространства-времени. Её можно представить как тоннель с двумя входами, или «горловинами».
Классическая аналогия — это лист бумаги, который символизирует наше пространство. Чтобы добраться из одной точки в другую, нужно проделать длинный путь по поверхности. Но если сложить лист и проткнуть его карандашом, появится короткий путь. Так и работает червоточина.
Математическое представление непроходимой кротовой норы
Теоретическую основу для этого заложили в 1930 годах Альберт Эйнштейн и его коллега Натан Розен. Анализируя уравнения общей теории относительности, они предположили существование «моста», соединяющего чёрную дыру и гипотетическую «белую дыру». Это решение получило научное название мост Эйнштейна-Розена.
Проблемы кротовых нор
Кротовые норы — гипотетические объекты. До сих пор у учёных нет доказательств того, что такие тоннели существуют. Более того, нет никакого способа отличить чёрную дыру от кротовой норы. Но даже если бы исследователи могли это сделать, у путешествий через кротовые норы есть несколько проблем.
Катастрофическая нестабильность
Несмотря на математическое изящество, мост Эйнштейна-Розена оказался совершенно непроходимым. Физики, включая Джона Арчибальда Уилера, показали, что такие структуры катастрофически нестабильны.
Такой тоннель схлопывается почти мгновенно после своего образования. Малейшее возмущение, даже один-единственный фотон света, пытающийся пролететь сквозь него, заставит горловину сжаться и исчезнуть. Как отмечают астрофизики, центр кротовой норы сколлапсирует под действием собственной гравитации, если какая-то сила не будет выталкивать его стенки наружу.
Это означает, что любой объект, вошедший в такой тоннель, никогда не выйдет с другой стороны. Главный вывод из этой ранней работы таков: основная проблема — не создать короткий путь, а сделать его стабильным.
Материал, которого нет
Идею проходимой кротовой норы возродили физик Кип Торн и его студент Майк Моррис в 1988 году. Интересно, что толчком для этого послужила научная фантастика. Писатель Карл Саган искал для своего романа «Контакт» научно достоверный способ межзвёздных путешествий и обратился за консультацией к Торну. Так художественная задача стимулировала настоящее научное исследование.
Торн и Моррис разработали математическую модель стабильной, проходимой червоточины. В отличие от моста Эйнштейна-Розена, у червоточины Морриса-Торна нет горизонта событий — точки невозврата, как у чёрных дыр, — что делает возможным путешествие в обе стороны.
Но у этой элегантной модели есть один монументальный изъян. Чтобы удерживать горловину тоннеля от схлопывания, её нужно заполнить так называемой экзотической материей. Это гипотетическое вещество должно обладать свойством, которого нет ни у одной известной частицы: отрицательной плотностью энергии. Такая материя создавала бы отталкивающую гравитацию — своего рода «антигравитацию», — которая и не давала бы тоннелю коллапсировать.
Художественная интерпретация червоточины с точки зрения наблюдателя, пересекающего горизонт событий моста Эйнштейна-Розена
Главная проблема в том, что существование такой материи нарушает фундаментальные «энергетические условия» теории относительности, которые гласят, что плотность энергии не может быть отрицательной. Все известные вещества, включая антиматерию, имеют положительную плотность энергии.
Правда, есть один обнадёживающий намёк из квантового мира — эффект Казимира. Если в вакууме разместить близко друг к другу две параллельные пластины, между ними возникнет сила притяжения. Это происходит потому, что пластины создают в пространстве между собой область с отрицательной плотностью энергии. Это доказывает, что отрицательная энергия в принципе возможна, но пока такой эффект наблюдался лишь в микроскопических масштабах.
Путешествия во времени и парадоксы
Если бы люди смогли создать стабильную кротовую нору, она открыла бы путь не только к звёздам, но и в прошлое. Используя принципы теории относительности, такой тоннель можно превратить в машину времени.
Механизм таков: нужно взять одну из горловин червоточины и разогнать её до скорости, близкой к световой, а затем вернуть обратно. Из-за эффекта замедления времени для этого входа пройдёт меньше времени, чем для стационарного. В результате возникнет временной разрыв: войдя в «молодую» горловину, можно выйти из «старой» в её прошлом.
Рисунок, иллюстрирующий возможное путешествие сквозь кротовую нору
Такая возможность ведёт к появлению «замкнутых времениподобных кривых» — по сути, петель во времени, которые ставят под сомнение сам принцип причинности. Самый известный пример — парадокс убитого дедушки: путешественник отправляется в прошлое и убивает своего деда, тем самым отменяя собственное рождение и саму возможность отправиться в прошлое.
Как физики пытаются разрешить это противоречие? Есть две основные гипотезы.
- Принцип самосогласованности Новикова. Он гласит, что любые действия путешественника во времени уже являются частью истории. Попытка создать парадокс обречена на провал, потому что она уже провалилась в прошлом. Вселенная сама себя исправляет, и свободная воля оказывается иллюзией.
- Многомировая интерпретация. Эта идея пришла из квантовой механики. Она предполагает, что любое действие, меняющее прошлое, просто создаёт новую, параллельную вселенную или временную линию. Вы можете помешать встрече дедушки и бабушки, но сделаете это в альтернативной реальности, а ваша собственная временная линия останется неизменной.
Есть небольшая лазейка: возможны ли путешествия во времени
Что в итоге
Научный консенсус таков: хотя кротовые норы математически возможны в рамках общей теории относительности, их существование остаётся чисто гипотетическим. Стабильных червоточин никто не находил, и нет никаких доказательств существования экзотической материи, необходимой для их постройки.
Даже взгляды великих физиков на этот счёт расходились. Кип Торн рассматривает кротовые норы как ценный интеллектуальный инструмент для исследования границ физики. А Стивен Хокинг был более скептичен и выдвинул «гипотезу о защите хронологии», согласно которой сами законы физики не позволят создать подобную машину времени в макроскопическом масштабе.
На данный момент путешествие через кротовую нору остаётся фантастикой. Главный барьер — не теоретический запрет, а скорее инженерный: у человечества нет нужного строительного материала. Тем не менее изучение этих экзотических объектов помогает глубже понять фундаментальные вопросы о природе времени, пространства и гравитации.