Червоточина

Схематичное изображение «внутримировой» кротовой норы для двумерного пространства

Кротовая нора , также «кротовина» или «червоточина» (последнее является дословным переводом англ. wormhole ) - гипотетическая топологическая особенность пространства-времени , представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве. Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной».

Кротовые норы делятся на «внутри-мировые» (англ. intra-universe ) и «меж-мировые» (англ. inter-universe ) в зависимости от того, можно ли соединить её входы кривой, не пересекающей горловину (на рисунке изображена внутри-мировая кротовая нора).

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 - пространство Шварцшильда , а проходимой - кротовины Морриса-Торна.

В научно-фантастических мирах, в которых путешествия со сверхсветовой скоростью возможны, однако ограничены, кротовины также играют важную роль, допуская соединения между регионами, которые иначе были бы недоступны, в течение приемлемого для путешествий срока времени. Несколько примеров появляются в сериалах «Звёздный путь », включая червоточину баджорцев в сериале «Глубокий космос 9 ».

В романе Карла Сагана «Контакт» и снятом по нему фильме 1997 года с участием Джоди Фостер и Мэттью Макконехи героиня Джоди - Элли - путешествует за тысячи световых лет через несколько кротовин. За время путешествия, которое для Элли длилось 18 часов, на Земле прошла всего доля секунды, что создало впечатление, что она никуда не летала. В свою защиту, Элли ссылается на мост Эйнштейна-Розена и на то, что она перемещалась быстрее света и времени. Анализ ситуации, проведенный Кипом Торном по запросу Сагана, называется Торном исходным толчком для его исследований физики кротовин.

Кротовины играют основную роль в телесериале «На краю Вселенной », где они являются причиной появления Джона Крайтона в иной вселенной, и в сериале «Звёздные врата », где Звёздные врата описаны как генератор червоточины, в которой объекты превращаются в энергию, в форме электромагнитных волн передающуюся через пространство для реконструкции на приёмной стороне. В фантастическом сериале «Скользящие » кротовина (или вихрь, как он обычно называется в сериале) используется для путешествия между параллельными мирами, появляясь один или два раза в каждом эпизоде. В пилотном эпизоде он назывался «мост Эйнштейна - Розена - Подольского».

В игровой вымышленной Вселенной Warhammer 40000 описаны два способа путешествий на большие расстояния за приемлемое для смертного время - первый основан на использовании варп-двигателя и связан с опасностями, подстерегающими путешественника, перемещающегося за счёт погружения в мир демонов , второй основан на использовании уже созданной системы туннелей, пронизывающей галактику, однако технология изготовления врат для прохождения в этот лабиринт давно утеряна.

Прочее

• «Кротовые норы» (англ. Wormholes - Essays and Occasional Writings , 1998) - книга эссе известного английского писателя Джона Фаулза .
• Кротовины используются для создания Межзвездного Содружества в «Саге о Содружестве» Питера Ф. Гамильтона.
• Также кротовины появляются и в сериале «Школа черная дыра ».
• В романах «Череп на рукаве » и «Череп в небесах » (фантаст Ник Перумов), естественные «Кротовые норы» присутствовали, однако не были изучены людьми.
• В последних четырех эпизодах Футурамы (Into the Wild Green Yonder 2009) кротовины (wormhole) активно используются не только для перемещений главных героев, но и в качестве элементов гигантской трассы вселенского миниатюрного гольфа.

Литература

• DeBenedictis, Andrew and Das, A. On a General Class of Wormhole Geometries . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Dzhunushaliev, Vladimir Strings in the Einstein"s paradigm of matter . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Einstein, Albert and Rosen, Nathan. The Particle Problem in the General Theory of Relativity . Physical Review 48 , 73 (1935).
• Fuller, Robert W. and Wheeler, John A.. Causality and Multiply-Connected Space-Time . Physical Review 128 , 919 (1962).
• Garattini, Remo How Spacetime Foam modifies the brick wall . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• González-Díaz, Pedro F. Quantum time machine . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• González-Díaz, Pedro F. Ringholes and closed timelike curves . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Khatsymosky, Vladimir M. Towards possibility of self-maintained vacuum traversable wormhole . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Krasnikov, Serguei Counter example to a quantum inequality . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Krasnikov, Serguei The quantum inequalities do not forbid spacetime shortcuts . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Li, Li-Xin Two Open Universes Connected by a Wormhole: Exact Solutions . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Morris, Michael S., Thorne, Kip S., and Yurtsever, Ulvi. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition . Physical Review Letters 61 , 1446-1449 (1988).
• Morris, Michael S. and Thorne, Kip S.. Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity . American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988).
• Nandi, Kamal K. and Zhang, Yuan-Zhong A Quantum Constraint for the Physical Viability of Classical Traversable Lorentzian Wormholes . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Ori, Amos A new time-machine model with compact vacuum core . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Roman, Thomas, A. Some Thoughts on Energy Conditions and Wormholes . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Teo, Edward Rotating traversable wormholes . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Visser, Matt The quantum physics of chronology protection by Matt Visser. . arXiv eprint server . Проверено 12 августа 2005.
• Visser, Matt.

Червоточина это теоретический проход через пространство-время, который может значительно сокращать дальние путешествия по всей вселенной за счет создания кратчайших путей между пунктами назначения. Существование червоточин предсказывается теорией относительности. Но вместе с удобством они могут нести и чрезвычайные опасности: опасность внезапного коллапса, высокая радиация и опасные контакты с экзотической материей.

Теория червоточин, или «кротовые норы»

В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен с помощью теории относительности предположили существование «мостов» в пространстве-времени. Эти пути, названные мостами Эйнштейна-Розена или червоточинами («кротовыми норами»), соединяют две различные точки в пространстве-времени, теоретически создавая кратчайшие коридоры, которые сокращают расстояние и время в пути.

Червоточины имеют как бы два устья, соединенные общей горловиной. Устья, скорее всего, имеют шаровидную форму. Горловина может быть прямым участком, но она может также закручиваться, становясь тем длиннее, чем длиннее обычный маршрут.

Общая теория относительности Эйнштейна математически предсказывает существование «кротовых нор» (червоточин), но ни одна не была обнаружена до настоящего времени. Червоточина с отрицательной массой может быть выслежена благодаря действию ее гравитации на свет, проходящий мимо.

Некоторые решения общей теории относительности допускают существование «кротовых нор», каждый вход (устье) которых является черной дырой. Однако, естественные черные дыры, образованные в результате коллапса умирающей звезды, сами по себе не создают червоточину.

Через червоточину

Научная фантастика кишит историями о путешествиях через «кротовые норы». Но в реальности такие путешествия являются куда более сложным, и не только потому, что мы должны все же для начала обнаружить такую червоточину.

Первая проблема заключается в размере. Реликтовые червоточины, предположительно, существуют на микроскопическом уровне, около 10 -33 сантиметров в диаметре. Тем не менее, по мере расширения Вселенной, вполне возможно, что некоторые из них разрослись до больших размеров.

Другая проблема возникает из-за стабильности. Точнее, из-за ее отсутствия. Предсказанные Эйнштейном-Розеном червоточины были бы бесполезны для путешествия, потому что они разрушаются слишком быстро. Но более поздние исследования показали, что червоточины, содержащие «экзотическую материю», могут оставаться открытыми и неизменными в течение более длительного времени.

Экзотическая материя, которую не следует путать с темной материей или антивеществом, обладает отрицательной плотностью и огромным отрицательным давлением. Такую материю можно обнаружить только в поведении некоторых вакуумных состояний в рамках квантовой теории поля.

Если червоточины содержат достаточное количество экзотической материи, будь то в природе или добавленную искусственно, то теоретически они могут быть использованы в качестве способа передачи информации или коридора через пространство.

Червоточины могут не только соединять два различных конца одной вселенной, они могли бы также соединить две разные вселенные. Так же, некоторые ученые предположили, что, если один вход «кротовой норы» перемещается определенным образом, он мог бы быть полезен для путешествия во времени . Тем не менее, их оппоненты, как например британский космолог Стивен Хоккинг, утверждают, что такое использование не представляется возможным.

Хотя добавление экзотической материи в червоточину может стабилизировать ее до такой степени, что человеческие особи смогут безопасно путешествовать через нее, есть еще возможность того, что добавления «обычной» материи будет достаточно, чтобы дестабилизировать портал.

Современных технологий недостаточно, чтобы увеличить или стабилизировать червоточины, даже если они будут в ближайшее время найдены. Тем не менее, ученые продолжают исследовать это понятие как метод космических путешествий с надеждой, что технология со временем появится, и в конечном итоге они смогут использовать «кротовые норы».

По материалам сайта Space.com

1. Путешествие во времени с помощью червоточин Концепция машины времени, которая используется во многих научно-фантастических произведениях, обычно вызывает в воображении образы неправдоподобного устройства. Но согласно общей теории...
2. Можем ли мы быть уверены, что путешественники во времени не изменят наше прошлое? Обычно, мы принимаем как очевидность то, что наше прошлое – факт состоявшийся и неизменный. История такова, какой мы ее помним....

Путешествие сквозь пространство и время возможно не только в фантастических фильмах и научно-фантастических книгах, еще немного и это может стать реальностью. Множество известных и уважаемых специалистов работают над исследованием такого феномена как червоточина и пространственно-временной туннель.

Червоточина, в определении физика Эрика Дэвиса, некий космический туннель, называемый еще горловиной, соединяющий между собой две отдаленные области во Вселенной или две различные Вселенные,- если другие Вселенные существуют – или два различных периода времени, или различные пространственные измерения. Несмотря на то, что существование не доказано, ученые всерьез рассматривают всевозможные способы использования проходимых червоточин, при условии их существования, для преодоления расстояния со скоростью света, и даже перемещений во времени.

Прежде чем использовать червоточины, ученым необходимо их найти. Сегодня, к сожалению, не обнаружено доказательств существования червоточин. Но если, они все же существуют, их расположение может быть не таким трудным, как кажется на первый взгляд.

Что же такое червоточины?

На сегодняшний день существует несколько теорий возникновения червоточин. Математик Людвиг Фламм применявший уравнения относительности Альберта Эйнштейна, первый предложил термин «червоточина», описывая процесс, когда сила тяжести может изогнуть временное пространство, относящееся к ткани физической действительности, вследствие чего и образуется пространственно-временной тоннель.

Али Эвгюн, из Восточного Средиземноморского университета на Кипре, предполагает, что червоточины возникают в местах плотного скопления темной материи. Согласно этой теории, червоточины могли существовать во внешних областях Млечного пути, где есть темная материя, и в пределах других галактик. Математически ему удалось доказать, что есть все необходимые условия для подтверждения данной теории.

"В будущем будет возможность косвенно наблюдать за подобными экспериментами, как показано в фильме "Интерстеллар”, - сказал Али Эвгюн.

Торн и еще ряд ученых пришли к выводу, что даже если бы вследствие необходимых факторов образовалась некоторая червоточина, она вероятнее всего разрушилась бы прежде, чем какой-то объект или человек прошли сквозь нее. Для того чтобы сохранить червоточину открытой достаточно долго потребовалось бы большое количество так званой «экзотической материи». Одна из форм естественной «экзотической материи» является темная энергия, Дэвис так поясняет ее действие: «давление, значение которого ниже атмосферного, создает гравитационно-отталкивающую силу, в свою очередь, толкающую внутреннее пространство нашей Вселенной наружу, что производит инфляционное расширение Вселенной».

Такой экзотический материал, как темная материя, распространен во Вселенной в пять раз больше, чем обычные вещества. До сих пор ученым не удавалось обнаружить скопления темной материи или темной энергии, поэтому неизвестны многие их свойства. Изучение их свойств, происходит посредством изучения пространства вокруг них.

Через червоточину сквозь время – реальность?

Идея путешествия во времени довольно популярна не только в среде исследователей. На теории червоточин основано путешествие Алисы в Зазеркалье в одноименном романе Льюиса Керролла. Что представляет собой пространственно-временной тоннель? Регион пространства в дальнем конце туннеля должен выделяться из области, находящейся вокруг входа, благодаря искажениям, подобными отражению в искривленных зеркалах. Еще одним признаком может быть сосредоточенное движение света направленное через туннель червоточины воздушными течениями. Дэвис называет явление на переднем конце червоточины "каустическим эффектом радуги". Такие эффекты могут быть видимы с расстояния. "Астрономы планируют использовать телескопы для охоты на эти радужные явления, в поисках естественной или даже неестественно созданной, проходимой кротовой норы ", - сказал Дэвис. - «Я никогда не слышал о том, что проект всё-таки сдвинулся с мертвой точки ".

В рамках своего исследования кротовых нор, Торн предположил теорию, согласно которой, червоточину можно будет использовать в качестве машины времени. Мысленные эксперименты, связанные с путешествиями во времени достаточно часто сталкиваются с парадоксами. Пожалуй, самым известным из них является парадокс дедушки: Если исследователь отправится в прошлое и убьет своего деда, то этот человек не сможет родиться, и соответственно никогда бы не вернется во времени обратно. Можно предположить, что обратного пути в путешествии во времени нет, по словам Дэвиса, работа Торна открыла новые возможности для изучения учеными.

Призрачная Связь: Червоточины и Квантовый Мир

"Вся кустарная промышленность теоретической физики произрастала из теорий, которые привели к развитию других пространственно-временных методов, производящих описанные причины парадоксов, связанных с машиной времени", - сказал Дэвис. Несмотря ни на что возможность использование червоточины для путешествий во времени привлекает и поклонников фантастики, и желающих изменить свое прошлое. Дэвис считает, основываясь на современных теориях, что для того, чтобы сделать из червоточины машину времени, потоки в одном или обоих концах туннеля необходимо будет ускорить до скоростей, приближающихся к скорости света.

"Исходя из этого, было бы крайне трудно построить машину времени на основе червоточины”, - сказал Дэвис. - " Относительно этого гораздо проще будет использовать червоточины для межзвездных путешествий в космосе".

Другие физики предположили, что путешествия во времени с помощью червоточины могут вызвать массированное наращивание энергии, которая уничтожит тоннель, прежде чем он может быть использован в качестве машины времени - процесс, известный как обратная квантовая реакция. Тем не менее, мечтать о потенциале червоточин по-прежнему весело: "Подумайте о всех возможностях, которые получили бы люди, если бы они обнаружили способ, что они могли бы сделать, если бы могли путешествовать во времени?," - сказал Дэвис. - "Их приключения были бы очень интересными, если не сказать больше".

Прочитало: 1