Кротовая нора. Что такое "Кротовая Нора"? Астрофизики всерьёз ищут в космосе «кротовые норы
Кадры из фильма «Интерстеллар» с «кротовой дырой» (2014)
Космическая киноэпопея «Интерстеллар» (речь идет о научно-фантастическом фильме, вышедшем на экраны в октябре 2014 года) рассказывает об астронавтах, которые в поисках вариантов спасения человечества обнаруживают «дорогу жизни», представленную загадочным туннелем.
Данный проход необъяснимым способом появляется возле Сатурна и в пространстве-времени проводит человека к далекой галактике, тем самым предоставляя шанс отыскать планеты, населенные живыми существами. Планеты, которые могут стать для людей вторым Домом.
Гипотезе о существовании киношного туннеля, называемого учеными «червоточиной» или «кротовой норой», предшествовала настоящая физическая теория, которую предложил один из первых ученых астрофизиков и бывший профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн.
Кип Торн помогал и астроному, астрофизику, популяризатору науки и одному из тех, кто инициировал проект по поиску внеземного разума - Карлу Сагану - создавать модель кротовой норы для его романа «Контакт». Убедительность зрительных образов в фильме для специалистов по изучению космоса настолько очевидна, что астрофизики признают: это едва ли не самые точные изображения кротовых нор и черных дыр из всех существующих в мировом кино.
Есть только одна «маленькая» деталька в этом фильме, которая не дает покоя внимательному зрителю: полет в подобном в космическом экспрессе - это, конечно же, здорово, но только вот удастся ли пилотам не дать дуба в процессе этого самого межзвездного перемещения?
Создатели космического блокбастера предпочли не упоминать о принадлежности первоначальной теории кротовых нор другим ведущим теоретикам астрофизики - ее начали разрабатывать еще Альберт Эйнштейн вместе со своим ассистентом Натаном Розеном. Эти ученые пробовали решить уравнения Эйнштейна для общей теории относительности так, чтобы в результате получилась математическая модель всей Вселенной, вместе с силами притяжения и элементарными частицами, которые образуют материю. В процессе всего этого предпринималась попытка вообразить пространство как две соединенные друг с другом «мостами» геометрические плоскости.
Параллельно, но автономно от Эйнштейна подобная работа проводилась другим физиком - Людвигом Фламмом, который в 1916 году, также при решении эйнштейновских уравнений, совершил свое открытие подобных «мостов».
Всех трех «мостостроевцев» постигло общее разочарование, поскольку «теория всего сущего» оказалась нежизнеспособной: подобные «мосты» в теории действовали вовсе не так, как всамделишные элементарные частицы.
Тем не менее в 1935 году Эйнштейном и Розеном была опубликована работа, где ими изложена собственная теория туннелей в пространственно-временном континууме. Данный труд по задумке авторов, очевидно, должен был побудить другие поколения ученых поразмышлять о возможности применения подобной теории.
Физиком из Принстонского университета Джоном Уиллером в свое время было введено в словооборот обозначение «червоточина», которым занимавшиеся в бо-х годах изучением построения моделей «мостов» по теории Эйнштейна-Розена. Уиллер подметил: уж больно такой «мост» напоминает ход, прогрызаемый червяком в плоде. Представим себе муравьишку, ползущего от одной стороны груши к другой, - он способен или проползти по всей изогнутой поверхности, или, сократив дорогу, пересечь плод через тоннель-червоточину.
А если вообразить, что наш трехмерный пространственно-временной континуум представляет собой кожицу груши, что словно изогнутая поверхность охватывает «массу» с гораздо большими размерами? Пожалуй, «мост» Эйнштейна-Розена и есть тот самый туннель, прорезающий эту «массу», он позволяет пилотам звездолетов уменьшить расстояние в пространстве между двумя точками. Вероятно, в данном случае речь идет о настоящем математическом решении общей теории относительности.
По мнению Уилера, устья «мостов» Эйнштейна-Розена весьма напоминают так называемую черную дыру Шварцшильда - простую материю, имеющую сферическую форму и столь высокую плотность, что сила ее притяжения не преодолеваема даже светом. У астрономов есть устойчивое мнение о существовании «черных дыр». Как они полагают, эти образования рождаются, когда «коллапсируют» или затухают весьма массивные звезды.
Насколько аргументированна гипотеза о том, что «черная дыра» - то же самое, что и «кротовая нора» или туннель, позволяющий осуществлять дальние космические перелеты? Может, с точки зрения математики, это утверждение и верно. Но лишь в теории: в подобной экспедиции не останется выживших.
Модель Шварцшильда представляет темную середину «черной дыры» в виде сингулярной точки или центрального нейтрального неподвижного шара с бесконечной плотностью. Расчеты Уиллера показывают последствия произошедшего в случае образования подобной «кротовой норы» тогда, когда две сингулярные точки («черные дыры» Шварцшильда) в двух отдаленных частях Вселенной сойдутся в ее «массе» и создадут туннель между ними.
Исследователь выяснил: подобная «кротовая нора» имеет нестабильную природу: туннель поначалу образуется, а затем схлопывается, после чего остаются снова только две сингулярные точки («черные дыры»). Процедура появления и захлопывания туннеля проходит столь молниеносно, что через него не может проникнуть даже луч света, не говоря уже о пытающемся проскользнуть астронавте - его и вовсе проглотит «черная дыра». Не шутки - речь идет о мгновенной смерти, ибо гравитационные силы сумасшедшей мощности разорвут человека на куски.
«Черные дыры» и «белые пятна»
Торн одновременно с фильмом выпустил книгу «Научные основы фильма „Интерстеллар»». Он в этой работе подтверждает: «Любое тело - живое или неживое - в момент охлопывания туннеля будет раздавлено и разорвано на куски!»
Для другого, альтернативного варианта - вращающейся «черной дыры» Керра - исследователи «белых пятен» в межпланетных путешествиях подыскали иное решение общей теории относительности. У сингулярности внутри «черной дыры» Керра другая, не шаровидная, а кольцеобразная форма.
Ее определенные модели могут дать человеку шанс выжить в межзвездном полете, но лишь в случае прохождения кораблем этой дыры исключительно через центр кольца. Нечто вроде космического баскетбола, только цена попадания здесь - не дополнительные очки: на кону - существование звездолета вместе с его экипажем.
Автор книги «Научные основы фильма „Интерстеллар»» Кип Торн сомневается в состоянии этой теории. Еще в 1987 году он пишет статью про полет через «кротовую нору», где указывает на немаловажную деталь: горловина туннеля Керра имеет весьма ненадежный участок, который называют «горизонт Коши».
Как показывают соответствующие расчеты, едва лишь тело пробует пройти мимо данной точки, туннель схлопывается. Причем и при условии некой стабилизации «кротовой норы», она, как гласит квантовая теория, немедленно заполнится быстрыми частицами высокой энергии.
Следовательно, как сунешься в «черную дыру» Керра, так и останется от тебя сухая поджаренная корочка.
Причина — «жуткое дальнодействие»?
Дело в том, что физики пока не приспособили классические законы гравитации к квантовой теории - данный раздел математики слишком труден для понимания, и многими учеными ему так и не дано точное определение.
Одновременно принстонский ученый Хуан Мальсадена и его коллега из Стэнфорда Леонард Сасскинд предположили, что «кротовые норы», очевидно, - это не что иное, как материальное воплощение запутанности в то время, когда соединяются квантовые объекты - независимо от того, удалены ли они друг от друга.
У Альберта Эйнштейна было свое название такой запутанности - «жуткое дальнодействие», великий физик и не думал соглашаться с общепринятой точкой зрения. Несмотря на это, многими экспериментами доказано существование квантовой запутанности. Более того, она уже используется в коммерческих целях - с ее помощью защищается передача данных в режиме онлайн, к примеру банковских операций.
Как считают Мальсадена и Сасскинд, в больших объемах квантовая запутанность в состоянии повлиять на изменение геометрии пространственно-временного континуума и способствовать возникновению «кротовых нор», имеющих форму сцепленных «черных дыр». Но гипотеза этих ученых не допускает возникновения проходимых межзвездных туннелей.
По словам Мальсадены, данные туннели, с одной стороны, не дают возможности летать быстрее скорости света, а с другой - могут помочь астронавтам все же встретиться там, внутри, с кем-нибудь «иным». Удовольствия, правда, от подобной встречи никакого, поскольку за встречей последует неминуемая гибель от гравитационного удара в центре «черной дыры».
Словом, «черные дыры» - реальная преграда на пути освоения человеком космоса. В таком случае, что могут представлять собой «кротовые норы»? Как полагает ученый Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Ави Леб, у людей на данный счет имеется множество вариантов: раз отсутствует теория, объединяющая общую теорию относительности с квантовой механикой, мы не в курсе всего набора возможных пространственно-временных структур, где возможно появление «кротовых нор».
Они коллапсируют
Но тут тоже не все так просто. Тот же Кип Торн в 1987 году установил особенность для любой «кротовой норы», соответствующей общей теории относительности, коллапсировать в случае, если ее не попробовать удержать в открытом состоянии за счет так называемой экзотической материи, имеющей отрицательную энергию или антигравитацию. Торн уверяет: факт существования экзоматерии можно установить экспериментальным путем.
Эксперименты покажут, что квантовые флуктуации в вакууме, очевидно, способны создавать отрицательное давление между двумя зеркалами, которые помещены совсем рядом.
В свою очередь, как считает Ави Леб, если наблюдать так называемую темную энергию, то эти исследования дадут еще больше оснований увериться в существовании экзотической материи.
Ученый Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики говорит, что «…мы видим, как на протяжении недавней космической истории галактики удаляются от нас со скоростью, возрастающей во времени, как будто на них действует антигравитация - такое ускоряющееся расширение Вселенной можно объяснить, если Вселенная заполнена субстанцией с отрицательным давлением, именно тем материалом, который нужен для возникновения кротовой норы…».
Вместе с тем и Леб, и Торн полагают, что даже если «кротовая нора» в состоянии появиться естественным путем, то для этого потребуется масса экзотической материи. На накопление подобного энергетического запаса и последующей стабилизации такого туннеля будет способна лишь высокоразвитая цивилизация.
Во взглядах на данную теорию также «в товарищах согласья нет». Вот что, к примеру, думает о выводах Леба и Торна их коллега Мальсадена:
«…Полагаю, что идея стабильной проходимой кротовой норы недостаточно вразумительна и, судя по всему, не соответствует известным законам физики…» Сабина Хоссенфельдер из Скандинавского института теоретической физики в Швеции и вовсе разбивает выводы Леба-Торна в пух и прах: «…У нас нет абсолютно никаких доказательств существования экзотической материи. Более того, существует широко распространенное мнение, что она существовать не может, потому что, если бы она существовала, вакуум был бы нестабильным…»
Даже в случае существования подобной экзотической материи, развивает свою мысль Хоссен-фелъдер, передвигаться внутри нее было бы делом крайне неприятным: каждый раз ощущения находились бы в прямой зависимости от степени кривизны пространственно-временной структуры вокруг туннеля и от плотности энергии внутри него. Сабина Хоссенфельдер делает вывод:
«…Это очень похоже на „черные дыры»: слишком велики приливообразующие силы - и человека разорвет на куски…»
Парадоксально, но, невзирая на свой вклад в создание фильма «Interstellar», Торн тоже не особенно верит в то, что подобный проходимый туннель может когда-нибудь появиться. А в возможность прохождения через него (безо всякого вреда!) - астронавтов - и подавно. Он сам в этом признается в своей книге:
«…Если они [тоннели] и могут существовать, то я очень сомневаюсь, что они могут возникнуть в астрофизической Вселенной естественным образом…»
…Вот и верь после этого научно-фантастическим фильмам!
Кротовая нора. Что такое "Кротовая Нора"?
Гипотетическая "Кротовая Нора", которую называют еще "кротовиной" или "червоточиной" (дословный перевод Wormhole) представляет из себя некий пространственно-временной туннель, который позволяет переместиться объекту из пункта а в пункт б во вселенной не по прямой, а огибая пространство. В том случае, если проще, то возьмите любой листок бумаги, сложите его пополам и проткните, полученная дырка и будет той самой кротовой норой
. Так вот есть теория, что пространство во вселенной может быть условно таким же листом бумаги, внимание, только с поправкой на третье измерение. Различные ученые выводят гипотезы, что благодаря Кротовым норам возможно путешествие в пространстве - времени. Но при этом никто не знает, какие именно опасности могут представлять червоточины и что на самом деле может находиться по ту сторону от них.
Теория кротовых нор.
В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен, используя общую теорию относительности, предположили, что во вселенной существуют специальные "Мосты" через пространство - время. Эти пути, которые назвали мостами Эйнштейна - Розена (или червоточинами), соединяют две совершенно разные точки в пространстве - времени путем теоретического создания искривления пространства, которое сокращает путешествие из одной точки в другую.
Опять же гипотетически любая кротовая нора состоит из двух входов и горловины (то есть того самого туннеля. При этом, скорее всего, входы у кротовой норы представляют сфероидальную форму, а горловина может представлять как прямой отрезок пространства, так и спиральный.
Путешествие сквозь кротовую нору.
Первая проблема, которая окажется на пути возможности таких путешествий, это размер кротовых нор. Считается, что самые первые кротовые норы были очень маленького размера, порядка 10-33 сантиметров, но за счет расширения вселенной появилась вероятность того, что вместе с ней расширялись и увеличивались и сами червоточины. Другой проблемой, связанной с червоточинами, является их стабильность. А точнее, нестабильность.
Объясняемые теорией Эйнштейна - Розена кротовые норы будут бесполезны для пространственно-временных путешествий, потому что они очень быстро коллапсируют (закрываются. Но более свежие исследования этих вопросов подразумевают наличие "Экзотической Материи", которая позволяет норам сохранять свою структуру на более продолжительный промежуток времени.
И все же теоретическая наука считает, что если кротовые норы будут содержать достаточное количество этой экзотической энергии, которая либо появилась натуральным образом, либо появится искусственным образом, то возникнет возможность передачи информации или даже объектов через пространство - время.
Те же гипотезы предполагают, что кротовые норы могут соединять не только две точки в рамках одной вселенной, но и являться входом в другие. Некоторые ученые считают, что если переместить определенным образом один вход червоточины, то появится возможность путешествия во времени. Но, например, знаменитый британский космолог Стивен хокинг считает, что такое использование червоточин невозможно.
Тем не менее некоторые научные умы настаивают, что если стабилизация кротовых нор за счет экзотической материи будет действительно возможна, то появится и возможность для безопасного путешествия людей сквозь такие кротовые норы. А за счет "Обычной" материи, при желании и необходимости, такие порталы можно будет обратно дестабилизировать.
Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. Значит, ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля, попав в него. Область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется траекторией световых лучей, которые первыми потеряли возможность вырваться наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры. Пример: глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.
Физики нашли признаки существования иной Вселенной
Подробнее
Существует пять видов черных дыр, но нас интересует именно черная дыра звездной массы. Такие объекты образуются на конечном этапе жизни небесного тела. Вообще, смерть звезды может обернуться следующими вещами:
1. Она превратится в очень плотную погасшую звезду, состоящую из ряда химических элементов, - это белый карлик;
2. В нейтронную звезду - имеет примерную массу Солнца и радиус около 10-20 километров, внутри состоит из нейтронов и других частиц, а снаружи заключена в тонкую, но твердую оболочку;
3. В черную дыру, гравитационное притяжение которой настолько велико, что может засасывать объекты, летящие со скоростью света.
При возникновении сверхновой, то есть «перерождении» звезды, образуется черная дыра, которую можно обнаружить только благодаря излучаемой радиации. Именно она и способна сгенерировать червоточину.
Если представить черную дыру как воронку, то объект, попав в нее, теряет горизонт событий и падает внутрь. Так где кротовая нора? Она располагается в точно такой же воронке, прикрепленной к тоннелю черной дыры, где выходы обращены наружу. Ученые полагают, что другой конец кротовой норы соединен с белой дырой (антиподом черной, в который ничто не может попасть).
Кротовая нора. Черные дыры Шварцшильда и Райснера-Нордстрема
Черная дыра Шварцшильда может считаться непроходимой кротовой норой. Что касается черной дыры Райснера-Нордстрема, она устроена несколько сложнее, однако также непроходима. Тем не менее придумать и описать четырехмерные кротовые норы в космосе, которые можно было бы пройти, не так уж сложно. Стоит лишь подобрать необходимый вид метрики. Метрический тензор, или метрика, - набор величин, используя который, можно вычислить четырехмерные интервалы, существующие между точками-событиями. Этот набор величин полностью характеризует также и поле тяготения, и геометрию пространства-времени. Геометрически проходимые кротовые норы в космосе даже проще, нежели черные дыры. В них нет горизонтов, которые ведут к катаклизмам с ходом времени. В различных точках время может идти а разном темпе, однако оно не должно при этом бесконечно останавливаться или ускоряться.
Пульсары: фактор маяка
По сути пульсар – это быстро вращающаяся нейтронная звезда. Нейтронная звезда – это сильноуплотненное ядро мертвой звезды, оставшееся после взрыва сверхновой. Эта нейтронная звезда обладает мощным магнитным полем. Это магнитное поле около одного триллиона раз сильнее магнитного поля Земли. Магнитное поле заставляет нейтронную звезду излучать от ее северного и южного полюсов сильные радиоволны и радиоактивные частицы. Эти частицы могут включать в себя различные излучения, в том числе и видимый свет.
Пульсары, которые излучают мощные гамма-лучи, известны как пульсары гамма-лучей. Если нейтронная звезда располагается своим полюсом к Земле, то мы можем видеть радиоволны каждый раз, как только один из полюсов попадает в наш ракурс. Этот эффект очень похож на эффект маяка. Неподвижному наблюдателю кажется, что свет вращающегося маяка постоянно мигает, то пропадая, то появляясь опять. Таким же образом нам кажется, что пульсар мигает, когда он вращается своими полюсами относительно Земли. Разные пульсары издают импульсы разной скорости, в зависимости от размера и массы нейтронной звезды. Иногда пульсар может иметь спутника. В некоторых случаях он может притягивать своего спутника, что заставляет вращаться его еще быстрее. Самые быстрые пульсары могут издавать более ста импульсов в секунду.
Гипотетическая «кротовая нора», которую называют еще «кротовиной» или «червоточиной» (дословный перевод wormhole) представляет из себя некий пространственно-временной туннель, который позволяет переместиться объекту из пункта А в пункт Б во Вселенной не по прямой, а огибая пространство. Если проще, то возьмите любой листок бумаги, сложите его пополам и проткните, полученная дырка и будет той самой кротовой норой. Так вот есть теория, что пространство во Вселенной может быть условно таким же листом бумаги, только с поправкой на третье измерение. Различные ученые выводят гипотезы, что благодаря кротовым норам возможно путешествие в пространстве-времени. Но при этом никто не знает, какие именно опасности могут представлять червоточины и что на самом деле может находиться по ту сторону от них.
Теория кротовых нор
В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен, используя общую теорию относительности, предположили, что во Вселенной существуют специальные «мосты» через пространство-время. Эти пути, которые назвали мостами Эйнштейна-Розена (или червоточинами), соединяют две совершенно разные точки в пространстве-времени путем теоретического создания искривления пространства, которое сокращает путешествие из одной точки в другую.
Опять же гипотетически любая кротовая нора состоит из двух входов и горловины (то есть того самого туннеля). При этом, скорее всего, входы у кротовой норы представляют сфероидальную форму, а горловина может представлять как прямой отрезок пространства, так и спиральный.
Общая теория относительности математически доказывает вероятность существования кротовых нор, но до сих пор ни одна из них не была обнаружена человеком. Сложность ее обнаружения заключается в том, что предполагаемая огромная масса кротовых нор и гравитационные эффекты просто поглощают свет и не дают ему отразиться.
Несколько гипотез, построенных на базе общей теории относительности, предполагают существование кротовых нор, где роли входа и выхода играют черные дыры. Но стоит учесть, что появление самих черных дыр, образующихся от взрыва погибающих звезд, никоим образом не создает кротовую нору.
Путешествие сквозь кротовую нору
В научной фантастике нередко встречается, что главные герои путешествуют сквозь кротовые норы. Но в реальности такое путешествие далеко не такое простое, как это показывают в фильмах и рассказывают в фантастической литературе.
Первая проблема, которая окажется на пути возможности таких путешествий, это размер кротовых нор. Считается, что самые первые кротовые норы были очень маленького размера, порядка 10-33 сантиметров, но за счет расширения Вселенной появилась вероятность того, что вместе с ней расширялись и увеличивались и сами червоточины. Другой проблемой, связанной с червоточинами, является их стабильность. А точнее, нестабильность.
Объясняемые теорией Эйнштейна-Розена кротовые норы будут бесполезны для пространственно-временных путешествий, потому что они очень быстро коллапсируют (закрываются). Но более свежие исследования этих вопросов подразумевают наличие «экзотической материи», которая позволяет норам сохранять свою структуру на более продолжительный промежуток времени.
Эта экзотическая материя, которую не следует путать с черной материей и антиматерией, состоит из энергии отрицательной плотности и колоссального отрицательного давления. Упоминание такой материи присутствует лишь в некоторых теориях вакуума в рамках квантовой теории поля.
И все же теоретическая наука считает, что если кротовые норы будут содержать достаточное количество этой экзотической энергии, которая либо появилась натуральным образом, либо появится искусственным образом, то возникнет возможность передачи информации или даже объектов через пространство-время.
Те же гипотезы предполагают, что кротовые норы могут соединять не только две точки в рамках одной вселенной, но и являться входом в другие. Некоторые ученые считают, что если переместить определенным образом один вход червоточины, то появится возможность путешествия во времени. Но, например, знаменитый британский космолог Стивен Хокинг считает, что такое использование червоточин невозможно.
Тем не менее некоторые научные умы настаивают, что если стабилизация кротовых нор за счет экзотической материи будет действительно возможна, то появится и возможность для безопасного путешествия людей сквозь такие кротовые норы. А за счет «обычной» материи, при желании и необходимости, такие порталы можно будет обратно дестабилизировать.
К сожалению, сегодняшних технологий человечества недостаточно для того, чтобы кротовые норы можно было искусственно увеличивать и стабилизировать, на тот случай, если они все-таки будут обнаружены. Но ученые продолжают исследовать концепции и методы для быстрых космических путешествий и, возможно, однажды наука придет к правильному решению.
Видео Кротовая нора: дверь в зазеркалье
Научно-фантастические фанаты надеются, что человечество в один прекрасный день сможет отправиться в отдаленные уголки Вселенной через кротовую нору.
Кротовая нора – теоретический туннель через пространство-время, который потенциально позволит быстрее путешествовать между удаленными точками в пространстве – от одной галактике к другой, например, как это было показано в фильме Кристофера Нолана "Interstellar", который вышел в прокат в кинотеатрах по всему миру в начале этого месяца.
В то время как согласно теории общей относительности Эйнштейна существование червоточин возможно, такие экзотические путешествия, вероятно, так и останутся в области научной фантастики, заявил известный астрофизик Кип Торн из Калифорнийского технологического института в Пасадене, который служил в качестве советника и исполнительного продюсера "Interstellar".
"Смысл в том, что мы просто ничего о них не знаем", - сказал Торн, который является одним из ведущих мировых специалистов в области теории относительности, черных дыр и кротовых нор. "Но существуют очень сильные признаки того, что человек по законам физики не сможет путешествовать через них".
"Основная причина связана с нестабильностью кротовых нор", - добавил он. "Стены кротовых нор разрушаются так быстро, что ничто не способно пройти через них".
Удержание червоточин открытыми потребует использование чего-то анти-тяготеющего, а именно отрицательную энергию. Отрицательная энергия была создана в лаборатории с помощью квантовых эффектов: одна область пространства получает энергию другой области, в которой образуется дефицит.
"Так что это в теории возможно", - сказал он. "Но мы никогда не сможем получить достаточно негативной энергии, которая способна будет удерживать стены червоточины открытыми".
Кроме того, червоточины (если они вообще существуют) почти наверняка не могут образоваться естественным образом. То есть, они должны быть созданы с помощью развитой цивилизации.
Это именно то, что и случилось в "Interstellar": Загадочные существа построили червоточину возле Сатурна, позволив небольшой группе пионеров, во главе с бывшим фермером Купер (роль которого исполняет Мэттью МакКонахи), отправиться в поисках нового дома для человечества, существование которому на Земле угрожает глобальный неурожай.
Лица, заинтересованные в получении дополнительной информации о науке в фильме "Interstellar", где рассматриваются вопросы о гравитационном замедление и изображены несколько чужеродных планет, вращающихся вокруг близко расположенной, могут прочитать новую книгу Торна, которая недвусмысленно называется "Наука из Interstellar".
Кротовая нора где находится. Кротовые норы в общей теории относительности
(ОТО) допускает существование таких туннелей, хотя для существования проходимой кротовой норы необходимо, чтобы она была заполненас отрицательной, создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Решения типа кротовых нор возникают в различных вариантах, хотя до полного исследования вопроса ещё очень далеко.
Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной». Кротовые норы делятся на «внутримировые» (intra-universe) и «межмировые» (inter-universe), в зависимости от того, можно ли соединить её входы кривой, не пересекающей горловину.
Различают также проходимые (traversable) и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которыеслишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал (имеющие скорость не выше световой) успели добраться от одного входа до другого. Классический пример непроходимой кротовины -в, а проходимой -.
Проходимая внутримировая кротовая нора даёт гипотетическую возможность, если, например, один из её входов движется относительно другого, или если он находится в сильном, где течение времени замедляется. Также кротовые норы гипотетически могут создавать возможность для межзвёздных путешествий, и в этом качестве кротовины нередко встречаются в.
Космические кротовые норы. Сквозь «кротовины» - к звёздам?
К сожалению, о практическом использовании «кротовых нор» для достижения удалённых космических объектов речь пока не идёт. Их свойства, разновидности, места возможного нахождения пока известны лишь теоретически - хотя, согласитесь, и это уже немало. Ведь мы имеем множество примеров того, как казавшиеся чисто умозрительными построения теоретиков приводили к возникновению новых технологий, в корне менявших жизнь человечества. Атомная энергетика, компьютеры, мобильная связь, генная инженерия… да мало ли что ещё?
Пока же о «кротовых норах», или «червоточинах», известно следующее. В 1935 году Альберт Эйнштейн и американо-израильский физик Натан Розен высказали предположение о существовании своего рода туннелей, соединяющих различные удалённые области пространства. В то время их ещё не называли «червоточинами», или «кротовинами», а просто - «мосты Эйнштейна-Розена». Поскольку для возникновения таких мостов требовалось очень сильное искривление пространства, время их существования было очень коротким. Никто и ничто не успело бы «пробежать» по такому мосту - под влиянием гравитации он почти сразу же «схлопывался».
А стало быть, оставался совершенно бесполезным в практическом смысле, хотя и занятным следствием общей теории относительности.
Однако позднее появились идеи о том, что некоторые межпространственные туннели могут существовать достаточно долгое время - при условии, что они наполнены некоей экзотической материей с отрицательной плотностью энергии. Такая материя будет создавать вместо притяжения гравитационное отталкивание и тем самым препятствовать «охлопыванию» канала. Тогда же появилось и название «червоточина». Кстати, наши учёные предпочитают название «кротовина», или «кротовая нора»: смысл тот же, а звучит гораздо приятнее…
Американский физик Джон Арчибальд Уилер (1911-2008 годы), развивая теорию «червоточин», предположил, что они пронизаны электрическим полем; больше того, сами электрические заряды являются, по сути, горловинами микроскопических «червоточин». Российский же астрофизик академик Николай Семёнович Кардашёв считает, что «кротовые норы» могут достигать гигантских размеров и что в центре нашей Галактики находятся вовсе не массивные чёрные дыры, а устья таких «нор».
Практический интерес для будущих космических путешественников будут представлять «кротовые норы», которые удерживаются в стабильном состоянии достаточно долгое время и к тому же пригодны для прохождения через них космических кораблей.
Американцы Кип Торн и Майкл Моррис создали теоретическую модель таких каналов. Однако их стабильность обеспечивается «экзотической материей», про которую ничего толком неизвестно и в которую, возможно, земной технике лучше даже не соваться.
А вот российские теоретики Сергей Красников из Пулковской обсерватории и Сергей Сушков из Казанского федерального университета выдвинули идею о том, что стабильность кротовой норы может достигаться и безо всякой отрицательной плотности энергии, а просто за счёт поляризации вакуума в «норе» (так называемый механизм Сушкова).
В общем, сейчас существует целый набор теорий «кротовых нор» (или, если угодно, «червоточин»). Весьма общая и умозрительная классификация делит их на «проходимые» - стабильные, червоточины Морриса - Торна, и непроходимые - мосты Эйнштейна - Розена. Кроме того, червоточины различаются по масштабам - от микроскопических до гигантских, сопоставимых по размерам с галактическими «чёрными дырами». Ну и, наконец, по своему назначению: «внутримировые» (intra-universe), соединяющие различные места одной и той же изогнутой Вселенной, и «межмировые» (inter-universe), позволяющие попасть в другой пространственно-временной континуум.
В космическом пространстве есть много интересного, что пока непостижимого для человека. Мы знаем теорию о черных дырах и даже знаем, где они находятся. Однако больший интерес представляют кротовые норы, с помощью которых киноперсонажи за секунды перемещаются по Вселенной. Как работают эти туннели и почему человеку лучше в них не лезть?
Следующая новость
Фильмы «Звездный путь», «Доктор Кто» и вселенную «Марвел» объединяет одна деталь: путешествия через пространство с огромной скоростью. Если сегодня до Марса лететь минимум семь месяцев, то в мире фантастики это можно сделать за доли секунды. Скоростные путешествия осуществляются с помощью так называемых кротовых нор (червоточин) - это гипотетическая особенность пространства-времени, представляющая собой «туннель» в пространстве в каждый момент времени. Чтобы понять принцип работы «норы», стоит лишь вспомнить Алису из «Зазеркалья». Там роль червоточины играло зеркало: Алиса могла мгновенно оказаться в другом месте, лишь коснувшись его.
На картинке внизу показан принцип работы туннеля. В фильмах происходит так: персонажи садятся в космолет, быстро долетают до портала и, войдя в него, тут же оказываются в нужном месте, например, на другом краю Вселенной. Увы, даже в теории это работает иначе.
Источник фото: YouTubeОбщая теория относительности допускает существование таких туннелей, но пока астрономам не удалось найти ни одного. Если верить теоретикам, первые кротовые норы имели размер меньше метра. Можно допустить, что с расширением Вселенной увеличивались и они. Но перейдем к основному вопросу: даже если кротовые норы существуют, почему использовать их - очень плохая идея? Астрофизик Пол Саттер объяснил, в чем проблема червоточин и почему человеку лучше туда не лезть.
Теория кротовой норы
Сначала стоит выяснить принцип действия черных дыр. Представьте шар на натянутой эластичной ткани. По мере приближения к центру он уменьшается в размере и одновременно становится более плотным. Ткань под его тяжестью прогибается все сильнее, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним, а шар пропадает из поля зрения. В самой черной дыре искривление пространства-времени бесконечно - такое состояние физики называют сингулярностью. В нем нет ни пространства, ни времени в человеческом понимании.
Источник фото: Pikabu.ru
Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. Значит, ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля, попав в него. Область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется траекторией световых лучей, которые первыми потеряли возможность вырваться наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры. Пример: глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.
Существует пять видов черных дыр, но нас интересует именно черная дыра звездной массы. Такие объекты образуются на конечном этапе жизни небесного тела. Вообще, смерть звезды может обернуться следующими вещами:
1. Она превратится в очень плотную погасшую звезду, состоящую из ряда химических элементов, - это белый карлик;
2. В нейтронную звезду - имеет примерную массу Солнца и радиус около 10-20 километров, внутри состоит из нейтронов и других частиц, а снаружи заключена в тонкую, но твердую оболочку;
3. В черную дыру, гравитационное притяжение которой настолько велико, что может засасывать объекты, летящие со скоростью света.
При возникновении сверхновой, то есть «перерождении» звезды, образуется черная дыра, которую можно обнаружить только благодаря излучаемой радиации. Именно она и способна сгенерировать червоточину.
Если представить черную дыру как воронку, то объект, попав в нее, теряет горизонт событий и падает внутрь. Так где кротовая нора? Она располагается в точно такой же воронке, прикрепленной к тоннелю черной дыры, где выходы обращены наружу. Ученые полагают, что другой конец кротовой норы соединен с белой дырой (антиподом черной, в который ничто не может попасть).
Почему вам не нужно в кротовую нору
В теории белых дыр не все так просто. Во-первых, не понятно, как именно попасть в белую дыру из черной. Расчеты вокруг червоточин показывают, что они крайне нестабильны. Кротовые норы могут испариться или «выплюнуть» черную дыру и опять же загнать в ловушку.
Если космический корабль или человек попадет черную дыру, он там застрянет. Пути назад не будет - со стороны черной дыры точно, ведь он не увидит горизонт событий. Но несчастный может попробовать найти белую дыру? Нет, ведь он не видит границ, поэтому ему придется «падать» в сторону сингулярности черной дыры, которая может иметь доступ к сингулярности белой. А может и не иметь.
человек поделились статьей
Следующая новость
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В фантастических романах описываются целые транспортные сети, соединяющие звездные системы и исторические эпохи, так называемые порталы, машины времени. Но гораздо более удивительным представляется то, что машины времени и тоннели в пространстве вполне серьезно, как гипотетически возможные, активно обсуждаются не только в статьях по теоретической физике, на страницах солидных научных изданий, но и в средствах массовой информации. Появилось много сообщений об открытии учеными неких гипотетических объектов, называемых «кротóвыми норами».
Подбирая материал к НПК по теме «Чёрные дыры», мы столкнулись с понятием «Кротóвые норы». Данная тема нас заинтересовала, и мы провели сравнение между ними.
Цель работы: Сравнительный анализ чёрных дыр и кротóвых нор.
Задачи: 1. Собрать материал о чёрных дырах и кротóвых норах;
2. Сделать подробный анализ полученной информации;
3. Сравнить чёрные дыры и кротóвые норы;
4. Создать познавательный фильм для учащихся.
Гипотеза: Возможно ли путешествие в пространстве-времени благодаря кротóвым норам.
Объект исследования: литература и другие ресурсы о кротóвых норах и чёрных дырах.
Предмет исследования: версии о существовании кротовых нор.
Методы: изучение литературы; использование Интернет-ресурсов.
Практическая значимость данной работы заключается в том, чтобы собранный материал использовать в учебных целях на уроках физики и во внеклассных занятиях по этому предмету.
В представленной работе использовались материалы научных статей, периодической печати, ресурсы сети Интернет.
Глава 1. Историческая справка
В 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен, используя общую теорию относительности, предположили, что во Вселенной существуют специальные «мосты» через пространство-время. Эти пути, которые назвали мостами Эйнштейна-Розена (или червоточинами), соединяют две совершенно разные точки в пространстве-времени путем теоретического создания искривления пространства, которое сокращает путешествие из одной точки в другую.
Теоретически кротóвая нора состоит из двух входов и горловины (то есть того самого туннеля). Входы в кротóвые норы представляют сфероидальную форму, а горловина может представлять, как прямой отрезок пространства, так и спиральный.
Долгое время эта работа не вызывала у астрофизиков большого интереса. Но в 90-е годы XX века интерес к таким объектам начал возвращаться. Прежде всего, возвращение интереса было связано с открытием в космологии темной энергии.
Англоязычным термином, который с 90-х годов прижился для «кротóвых нор» стал «wormhole» (вормхол), но первыми предложили этот термин еще в 1957 году американские астрофизики Мизнер и Уилер. На русский язык «wormhole» переводится как «червячная дыра». Такой термин не нравился многим русскоговорящим астрофизикам, и в 2004 году было принято решение провести голосование по различным предложенным терминам для таких объектов. Среди предложенных терминов были такие как: «червячная нора», «вормхол», «червоточина», «мост», «кротóвая нора», «туннель» и т.д. В голосовании участвовали русскоговорящие астрофизики, имеющие научные публикации по этой тематике. В результате этого голосования победил термин «кротовая нора».
В физике концепция кротовых нор возникла в 1916 г. ‒ всего через год после того, как Эйнштейн опубликовал свой великий труд ‒ общую теорию относительности. Физик Карл Шварцшильд, служивший тогда в кайзеровской армии, нашел точное решение уравнений Эйнштейна для случая изолированной точечной звезды. Вдалеке от звезды ее гравитационное поле очень похоже на поле обычной звезды; Эйнштейн даже воспользовался решением Шварцшильда при вычислении отклонения траектории света около звезды. Результат Шварцшильда произвел немедленное и очень сильное действие на все разделы астрономии, и сегодня он по-прежнему остается одним из самых известных решений уравнений Эйнштейна. Несколько поколений физиков использовали гравитационное поле этой гипотетической точечной звезды в качестве приближенного выражения для поля вокруг реальной звезды с конечным диаметром. Но если рассмотреть это точечное решение серьезно, то в центре его неожиданно обнаружится чудовищный точечный объект, который почти столетие изумлял и шокировал физиков, ‒ черная дыра.
Глава 2. Кротовая нора и черная дыра
2.1. Кротовая нора
Крото́вая нора́ ‒ предполагаемая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве.
Область вблизи самого узкого участка кротовины называется «горловиной». Различают проходимые и непроходимые кротовины. К последним относятся те туннели, которые коллапсируют (разрушаются) слишком быстро для того, чтобы наблюдатель или сигнал успели добраться от одного входа до другого.
Разгадка кроется в том, что согласно эйнштейновской теории тяготения ‒ общей теории относительности (ОТО) четырехмерное пространство-время, в котором мы живем, искривлено, а знакомая всем гравитация и есть проявление такого искривления. Материя «прогибает», искривляет пространство вокруг себя, и ‒ чем она плотнее, тем сильнее искривление.
Одно из мест обитания «кротовых нор» ‒ центры галактик. Но здесь главное не перепутать их с черными дырами, огромными объектами, которые также находятся в центре галактик. Масса их ‒ миллиарды наших Солнц. При этом черные дыры обладают мощнейшей силой притяжения. Она настолько велика, что даже свет не может вырваться оттуда, поэтому разглядеть в обычный телескоп их невозможно. Сила притяжения «кротовых нор» также огромна, однако если заглянуть вовнутрь «кротовой норы», можно увидеть свет прошлого.
Кротовые норы, через которые может проходить свет и другая материя в обе стороны, называются проходимыми кротовыми норами. Существуют и непроходимые кротовые норы. Это такие объекты, которые внешне (на каждом из входов) являются как бы черной дырой, но внутри такой черной дыры нет сингулярности (сингулярностью в физике называют бесконечную плотность материи, которая разрывает и уничтожает любую другую материю, попадающую в нее). При этом свойство сингулярности обязательно для обычных черных дыр. А сама черная дыра определяется наличием у неё поверхности (сферы), из-под которой наружу не может вырваться даже свет. Такая поверхность называется горизонтом черной дыры (или горизонтом событий).
Таким образом, материя может попасть внутрь непроходимой кротовой норы, но выйти из нее уже не может (очень похоже на свойство черной дыры). Могут существовать и полупроходимые кротовые норы, в которых материя или свет может проходить по кротовой норе только в одну сторону, но не может проходить в другую.
Особенностями кротовых нор являются следующие характеристики:
Кротовая нора должна соединять между собой две не искривленные области пространства. Место соединения и называется кротовой норой, а его центральный участок ‒ горловиной кротовой норы. Пространство вблизи горловины кротовой норы достаточно сильно искривлено.
Кротовая нора может соединять либо две разные Вселенные, либо одну и ту же Вселенную в разных частях. В последнем случае расстояние через кротовую нору может оказаться короче, чем расстояние между входами, измеренное снаружи.
Понятия времени и расстояния в искривленном пространстве-времени перестают быть абсолютными величинами, т.е. такими, какими мы подсознательно всегда привыкли их считать.
Исследование моделей кротовых нор показывает, что для их стабильного существования в рамках теории относительности Эйнштейна необходима экзотическая материя. Иногда такую материю называют еще фантомной. Для стабильного существования кротовой норы достаточно сколько угодно малого количества фантомной материи - скажем всего 1 миллиграмм (а может и еще меньше). В этом случае остальная часть материи, поддерживающая кротовую нору, должна удовлетворять условию: сумма плотности энергии и давления равна нулю. А в этом ничего необычного уже нет: даже самое обыкновенное электрическое или магнитное поле удовлетворяет этому условию. Это как раз именно то, что нужно для существования кротовой норы со сколько угодно малой добавкой фантомной материи.
2.2. Черная дыра
Чёрная дыра ‒ область в пространстве-времени. Гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий.
Теоретически, возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна. Первое было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен, но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное». Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары», а также «застывшие звёзды».
Различают четыре сценария образования чёрных дыр:
два реалистичных:
гравитационный коллапс (сжатие) достаточно массивной звезды;
коллапс центральной части галактики или протогалактического газа;
и два гипотетических:
формирование чёрных дыр сразу после Большого Взрыва (первичные чёрные дыры);
возникновение в ядерных реакциях высоких энергий.
Условия, при которых конечным состоянием эволюции звезды является чёрная дыра, изучены недостаточно хорошо, так как для этого необходимо знать поведение и состояния вещества при чрезвычайно высоких плотностях, недоступных экспериментальному изучению.
Столкновение чёрных дыр с другими звёздами, а также столкновение нейтронных звёзд, вызывающее образование чёрной дыры, приводит к мощнейшему гравитационному излучению, которое, как ожидается, можно будет обнаруживать в ближайшие годы при помощи гравитационных телескопов. В настоящее время есть сообщения о наблюдении столкновений в рентгеновском диапазоне.
25 августа 2011 года появилось сообщение о том, что впервые в истории науки группа японских и американских специалистов смогла в марте 2011 года зафиксировать момент гибели звезды, которую поглощает чёрная дыра.
Исследователи чёрных дыр различают первичные чёрные дыры и квантовые. Первичные чёрные дыры в настоящее время носят статус гипотезы. Если в начальные моменты жизни Вселенной существовали достаточной величины отклонения от однородности гравитационного поля и плотности материи, то из них путём коллапса могли образовываться чёрные дыры. При этом их масса не ограничена снизу, как при звёздном коллапсе ‒ их масса, вероятно, могла бы быть достаточно малой. Обнаружение первичных чёрных дыр представляет особенный интерес в связи с возможностями изучения явления испарения чёрных дыр. В результате ядерных реакций могут возникать устойчивые микроскопические чёрные дыры, так называемые квантовые чёрные дыры. Для математического описания таких объектов необходима квантовая теория гравитации.
Заключение
Если кротовая нора является непроходимой, то внешне ее практически невозможно отличить от черной дыры. На сегодняшний день теория физики кротовых нор и черных дыр является чисто теоретической наукой. Кротовые норы - это топологические особенности пространства-времени, описанные в рамках специальной теории относительности Эйнштейном в 1935 году.
Общая теория относительности математически доказывает вероятность существования кротовых нор, но до сих пор ни одна из них не была обнаружена человеком. Сложность ее обнаружения заключается в том, что предполагаемая огромная масса кротовых нор и гравитационные эффекты просто поглощают свет и не дают ему отразиться.
Проанализировав всю найденную информацию, мы узнали, чем отличаются кротовые норы от черных дыр и пришли к выводу, что мир космоса еще очень мало изучен, и человечество стоит на пороге новых открытий и возможностей.
На основе проделанного исследования был создан учебный фильм «Кротовые норы и Черные дыры», который используется на уроках астрономии.
Список использованных источников и литературы
Бронников, К. Мост между мирами / К. Бронников [Электронный ресурс] // Вокруг света. 2004. Май. - Режим доступа // http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/355/ (18.09.2017).
Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа // https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BD%D0%BE%D1%80%D0%B0 (30.09.2017);
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0 (30.09.2017).
Зима, К. «Кротовая нора» - коридор времени / К. Зима // Вести.ru [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.vesti.ru/doc.html?id=628114 (20.09.2017).
Кротовые норы и Черные дыры [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://ru.itera.wikia.com/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D0%BD%D0%BE%D1%80%D1%8B_%D0%B8_%D0%A7%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D1%8B (30.09.2017).
Кротовые норы. Популярная наука с Анной Урманцевой [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.youtube.com/watch?v=BPA87TDsQ0A (25.09.2017).
Кротовые норы пространства. [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.youtube.com/watch?v=-HEBhWny2EU (25.09.2017).
Лебедев, В. Человек в кротовой норе (обзор) / В. Лебедев // Лебедь. Независимый альманах. [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://lebed.com/2016/art6871.htm (30.09.2017).
Сквозь червоточину, Есть ли край у вселенной. [Электронный ресурс]. - Режим доступа // https://donetskua.io.ua/v(25.09.2017).
Черная дыра [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://ru-wiki.org/wiki/%D0%A7%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%8B%D1%80%D0%B0 (30.09.2017).
Черные дыры. Вселенная [Электронный ресурс]. - Режим доступа // https://my.mail.ru/bk/lotos5656/video/_myvideo/25.html (25.09.2017).
Что такое кротовая нора. Чтиво [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://hi-news.ru/research-development/chtivo-chto-takoe-krotovaya-nora.html (18.09.2017).
Шацкий, А. Кротовые норы: что это - миф, врата в другие миры или математическая абстракция? [Электронный ресурс]. - Режим доступа // http://www.znanie-sila.su/?issue=zsrf/issue_121.html&r=1 (18.09.2017).
Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия [Текст] / Глав. ред. М. Аксёнова; метод. ред. В. Володин, А. Элиович. - М.: Аванта, 2004. С. 412-413, 430-431, 619-620.
На публикацию работу с основными уравнениями общей теории относительности (ОТО). Позднее стало понятно, что новая теория гравитации, которой в 2015 году исполняется сто лет, предсказывает существование черных дыр и пространственно-временных тоннелей. О них и расскажет «Лента.ру».
Что такое ОТО
В основе ОТО лежат принципы эквивалентности и общей ковариантности. Первое (слабый принцип) означает пропорциональность инертной (связанной с движением) и гравитационной (связанной с тяготением) масс и позволяет (сильный принцип) в ограниченной области пространства не различать гравитационное поле и движение с ускорением. Классический пример - лифт. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.
Второй принцип (общей ковариантности) предполагает сохранение уравнениями ОТО своего вида при преобразованиях специальной теории относительности, созданной Эйнштейном и другими физиками к 1905 году. Идеи эквивалентности и ковариантности привели к необходимости рассмотрения единого пространства-времени, которое искривляется в присутствии массивных объектов. Это отличает ОТО от классической теории тяготения Ньютона, где пространство всегда плоское.
ОТО в четырехмерии включает в себя шесть независимых дифференциальных уравнений в частных производных. Для их решения (нахождения явного вида метрического тензора, описывающего кривизну пространства-времени) необходимо задание граничных и координатных условий, а также тензора энергии-импульса. Последний описывает распределение материи в пространстве и, как правило, связан с используемым в теории уравнением состояния. Кроме того, уравнения ОТО допускают введение в них космологической постоянной (лямбда-члена), с которой часто связывают темную энергию и, вероятно, отвечающее ей скалярное поле.
Черные дыры
В 1916 году немецкий математический физик Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений ОТО. Оно описывает гравитационное поле, созданное центрально-симметричным распределением масс с нулевым электрическим зарядом. Это решение содержало так называемый гравитационный радиус тела, определяющий размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны (движущиеся со скоростью света кванты электромагнитного поля).
Определенная таким образом шварцшильдова сфера тождественна понятию горизонта событий, а массивный ограниченный ею объект - черной дыре. Восприятие приближения к нему тела в рамках ОТО различается в зависимости от позиции наблюдателя. Для связанного с телом наблюдателя достижение шварцшильдовой сферы произойдет за конечное собственное время. Для внешнего наблюдателя приближение тела к горизонту событий займет бесконечное время и будет выглядеть как его неограниченное падение на шварцшильдову сферу.
Советские физики-теоретики также внесли свой вклад в теорию нейтронных звезд. В статье 1932 года «К теории звезд» Лев Ландау предсказал существование нейтронных звезд, а в работе «Об источниках звездной энергии», опубликованной в 1938 году в журнале Nature, предположил существование звезд с нейтронным ядром.
Как массивные объекты превращаются в черные дыры? Консервативный и наиболее признанный в настоящее время ответ на этот вопрос дали в 1939 году физики-теоретики Роберт Оппенгеймер (в 1943 году он стал научным руководителем Манхэттенского проекта, в рамках которого в США была создана первая в мире атомная бомба) и его аспирант Хартланд Снайдер.
В 1930-х годах астрономы заинтересовались вопросом о будущем звезды, если в ее недрах закончилось ядерное топливо. Для небольших звезд, подобных Солнцу, эволюция приведет к превращению в белых карликов, у которых сила гравитационного сжатия уравновешивается электромагнитным отталкиванием электронно-ядерной плазмы. У более тяжелых звезд гравитация оказывается сильнее электромагнетизма, и возникают нейтронные звезды. Сердцевина у таких объектов - из нейтронной жидкости, а ее покрывает тонкий плазменный слой электронов и тяжелых ядер.
Изображение: East News
Предельное значение массы белого карлика, не дающее ему превратиться в нейтронную звезду, в 1932 году впервые оценил индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Этот параметр вычисляется из условия равновесия вырожденного электронного газа и сил гравитации. Современное значение предела Чандрасекара оценивается в 1,4 солнечной массы.
Верхнее ограничение на массу нейтронной звезды, при которой она не превращается в черную дыру, получило название предела Оппенгеймера-Волкова . Определяется из условия равновесия давления вырожденного нейтронного газа и сил гравитации. В 1939 году получили значение в 0,7 солнечной массы, современные оценки варьируются от 1,5 до 3,0.
Кротовая нора
Физически червоточина (кротовая нора) представляет собой тоннель, связывающий две удаленные области пространства-времени. Эти области могут находиться в одной и той же вселенной или связывать разные точки разных вселенных (в рамках концепции мультивселенной). В зависимости от возможности вернуться сквозь нору обратно их подразделяют на проходимые и непроходимые. Непроходимые дыры быстро закрываются и не позволяют потенциальному путешественнику проделать обратный путь.
С математической точки зрения червоточина - это гипотетический объект, получаемый как особое несингулярное (конечное и имеющее физический смысл) решение уравнений ОТО. Обычно червоточины изображают в виде согнутой двумерной поверхности. Попасть с одной ее стороны на другую можно как обычным способом, так и по соединяющему их тоннелю. В наглядном случае двумерного пространства видно, что это позволяет существенно сократить расстояние.
В двумерии горловины червоточины - отверстия, с которых начинается и заканчивается тоннель - имеют форму окружности. В трехмерии горловина кротовой норы похожа на сферу. Образуются такие объекты из двух сингулярностей в разных областях пространства-времени, которые в гиперпространстве (пространстве большей размерности) стягиваются друг к другу с образованием норы. Поскольку нора - это пространственно-временной тоннель, путешествовать по нему можно не только в пространстве, но и во времени.
Впервые решения уравнений ОТО типа кротовой норы привел в 1916 году Людвиг Фламм. Его работа, описывавшая кротовую нору со сферической горловиной без гравитирующей материи, не привлекла внимания ученых. В 1935 году Эйнштейн и американо-израильский физик-теоретик Натан Розен, не знакомые с работой Фламма, нашли аналогичное решение уравнений ОТО. Ими двигало в этой работе желание объединить гравитацию с электромагнетизмом и избавиться от сингулярностей решения Шварцшильда.
В 1962 году американские физики Джон Уилер и Роберт Фуллер показали, что червоточина Фламма и мост Эйнштейна-Розена быстро схлопываются и потому являются непроходимыми. Первое решение уравнений ОТО с проходимой кротовой норой предложил в 1986 году американский физик Кип Торн. Его червоточина заполнена материей с отрицательной средней плотностью массы, препятствующей закрытию тоннеля. Элементарные частицы с такими свойствами науке пока неизвестны. Вероятно, они могут входить в состав темной материи.
Гравитация сегодня
Решение Шварцшильда - самое простое для черных дыр. Сейчас уже описаны вращающиеся и заряженные черные дыры. Последовательная математическая теория черных дыр и связанных с ними сингулярностей развита в работах британского математика и физика Роджера Пенроуза. Еще в 1965 году в журнале Physical Review Letters он опубликовал статью под названием «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности».
В ней описывается образование так называемой ловушечной поверхности, приводящей к эволюции звезды в черную дыру и возникновению сингулярности - особенности пространства-времени, где уравнения ОТО дают некорректные с физической точки зрения решения. Выводы Пенроуза считаются первым крупным математически строгим результатом ОТО.
Вскоре после этого ученый вместе с британцем Стивеном Хокингом показал, что в далеком прошлом Вселенная находилась в состоянии с бесконечной плотностью массы. Сингулярности, возникающие в ОТО и описанные в работах Пенроуза и Хокинга, не поддаются объяснению в современной физике. В частности, это приводит к невозможности описания природы до Большого взрыва без привлечения дополнительных гипотез и теорий, например, квантовой механики и теории струн. Развитие теории кротовых нор в настоящее время также невозможно без квантовой механики.
