17.11.2014. - Выживут ли астронавты в межзвездном полете через кротовые норы

Выживут ли астронавты в межзвездном полете через кротовые норы

В космической киноэпопее Interstellar (научно-фантастический фильм, премьера которого состоялась в октябре 2014 г., — прим. перев.) астронавты, пытаясь спасти человечество, обнаружили дорогу жизни: туннель, который таинственным образом появился возле Сатурна. Этот туннель в пространстве-времени ведет в далекую галактику и дает возможность найти обитаемые планеты, на которых люди могут поселиться. Идея показанного в фильме туннеля, который ученые называют «червоточиной» или «кротовой норой», основана на настоящей физической теории, предложенной одним из первых ученых астрофизиков и бывшим профессором Калифорнийского технологического института (CalTech) Кипом Торном (Kip Thorne).

Торн помогал и Карлу Сагану (Carl Sagan — астроном, астрофизик, популяризатор науки и один из инициаторов проекта по поиску внеземного разума, — прим. перев.) в создании модели кротовой норы для его романа «Контакт» (Contact). Зрительные образы в фильме потрясающие и признаны одними из самых точных изображений кротовых нор и черных дыр в кино. Правда, при описании посадки в космический экспресс не был затронут один важный вопрос: как остаться в живых во время полета?

И хотя авторы фильма не упоминают об этом, первоначальная теория кротовых нор принадлежала Альберту Эйнштейну и его ассистенту Натану Розену. Они пытались решить уравнения Эйнштейна для общей теории относительности таким образом, чтобы, в конечном счете, получить математическую модель всей вселенной, в том числе силы притяжения и элементарных частиц, образующих материю. При этом ученые пытались представить пространство в виде двух геометрических плоскостей, соединенных между собой «мостами», которые мы воспринимаем как элементарные частицы.

Независимо от их работы другой физик Людвиг Фламм (Ludwig Flamm) в 1916 году, пытаясь решить эйнштейновские уравнения, тоже открыл такие мосты. К их общему разочарованию, эта «теория всего сущего» так и не прижилась, поскольку такие теоретические мосты по сути дела вели себя совсем иначе, чем настоящие элементарные частицы. Однако в 1935 году Эйнштейн и Розен опубликовали работу, в которой изложили свою теорию туннелей в пространственно-временном континууме и тем самым заставили других физиков задуматься над тем, где можно было бы ее применить.

Физик из Принстонского университета Джон Уилер (John Wheeler) ввел в обращение термин «червоточина» в 1960-е годы, во время изучения моделей мостов Эйнштейна и Розена. Он заметил, что мосты похожи на ходы, которые червяк прогрызает в яблоке. Муравей, ползущий от одной стороны яблока к другой, может либо ползти по всей изогнутой поверхности, либо сократить путь и проползти через червоточину. А теперь представьте себе, что наш трехмерный пространственно-временной континуум это кожица яблока, которая подобно изогнутой поверхности охватывает «массу», размеры которой гораздо больше. Мост Эйнштейна-Розена это туннель сквозь эту «массу», который позволяет астронавтам сократить путь между двумя точками в пространстве. Как бы странно это ни звучало, но это и есть настоящее математическое решение общей теории относительности.

Уилер понял, что устья мостов Эйнштейна-Розена очень удачно подходят к описанию того, что известно под названием черной дыры Шварцшильда — простой материи сферической формы, плотность которой настолько высока, что силу ее притяжения не может преодолеть даже свет. Вот оно что! Астрономы считают, что черные дыры существуют, и образуются они, когда происходит «коллапсирование» или затухание чрезвычайно массивных звезд. Итак, можно ли считать, что черные дыры это еще и кротовые норы, туннели, позволяющие выполнять межзвездные полеты? С математической точки зрения, возможно, что да. Но в таком полете никто из астронавтов остаться в живых не сможет.

В модели Шварцшильда темная середина черной дыры представляет собой сингулярную точку, т.е. центральный нейтральный неподвижный шар, плотность которого бесконечна. Уилер рассчитал, что произойдет, если такая кротовая нора образуется в момент, когда две сингулярные точки (то есть черные дыры Шварцшильда) в двух отдаленных частях вселенной сойдутся в ее «массе», создав туннель между ними. Он вычислил, что такая кротовая нора по своей природе нестабильна: туннель образуется, но потом схлопывается, оставляя вместо себя опять лишь две сингулярные точки, т.е. две черные дыры. Процесс возникновения и закрытия туннеля происходит настолько быстро, что через него не в состоянии проскользнуть даже луч света, а пытающегося пролететь астронавта тем более поглотит черная дыра. Это означает мгновенную смерть, поскольку невероятно большие гравитационные силы разорвут его на куски.

Как пишет Торн в своей вышедшей одновременно с фильмом книге «Научные основы фильма Interstellar» (The Science of Interstellar), «Любое тело — живое или неживое — в момент схлопывания туннеля будет раздавлено и разорвано на куски!».

Но есть и альтернативный вариант: вращающаяся черная дыра Керра, которая представляет собой другое решение общей теории относительности. Сингулярность внутри черной дыры Керра представляет собой не шар, а кольцо, и некоторые модели предполагают возможность того, что человек может выжить во время межзвездного полета, если корабль сможет пройти эту дыру точно через центр кольца, подобно тому, как баскетбольный мяч пролетает через кольцо корзины. Однако у Торна на этот счет есть ряд возражений. В 1987 году в своей статье о полете через кротовую нору он написал, что в горловине туннеля Керра имеется очень нестабильный участок, называемый горизонтом Коши. Согласно расчетам, как только тело попытается пройти мимо этого горизонта, туннель схлопывается. И даже если можно было бы каким-то образом стабилизировать кротовую нору, ее, согласно квантовой теории, сразу же заполнят быстрые частицы высокой энергии. Таким образом, стоит только сунуться в черную дыру Керра, как в этом туннеле человек превратится в сухую поджаренную корочку.

Вся хитрость в том, что физикам еще только предстоит приспособить классические законы гравитации к квантовой теории — трудному для понимания разделу математики, которому многие ученые пытаются дать точное определение. В одно и то же время Хуан Мальсадена (Juan Maldacena) в Принстоне и Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) в Стэнфорде высказали предположение о том, что кротовые норы, по-видимому, являются материальным воплощением запутанности во время соединения квантовых объектов вне зависимости от их удаленности друг от друга.

Известно, что Эйнштейн назвал такую запутанность «жутким дальнодействием» и отказался согласиться с общепринятым мнением. Однако многие эксперименты доказывают, что квантовая запутанность существует — ее уже используют в коммерческих целях для защиты передачи данных в режиме онлайн, например, банковских операций. По мнению Мальсадены и Сасскинда, запутанность в значительных объемах способна изменить геометрию пространственно-временного континуума и привести к возникновению кротовых нор в форме сцепленных черных дыр. Однако их версия не предполагает появления проходимых межзвездных туннелей.

«Это туннели, которые не позволяют перемещаться быстрее скорости света, — говорит Мальдасена, — но с их помощью можно будет там внутри с кем-нибудь встретиться, правда, потом и погибнуть вместе от гравитационного удара в центре черной дыры».

Итак, черные дыры всему помеха. Тогда какими могут быть кротовые норы? Ави Леб (Avi Loeb) из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) утверждает, что у нас богатый выбор: «Поскольку у нас пока нет теории, которая надежно объединила бы общую теорию относительности с квантовой механикой, мы не знаем весь набор возможных пространственно-временных структур, в которых могли бы возникать кротовые норы».

Но здесь есть одна загвоздка. В 1987 году Торн обнаружил, что любая кротовая нора, которая соответствует общей теории относительности, коллапсирует, если ее не попытаться удержать в открытом состоянии за счет так называемой экзотической материи с отрицательной энергией, или антигравитации. Он утверждает, что в существовании экзоматерии можно убедиться путем экспериментов, показывающих, как квантовые флуктуации в вакууме, судя по всему, создают отрицательное давление между двумя зеркалами, помещенными на близком расстоянии друг к другу. А, по мнению Леба, еще больше оснований говорить о возможности существования экзотической материи дают наши наблюдения темной энергии.

«Мы видим, как на протяжении недавней космической истории галактики удаляются от нас со скоростью, возрастающей во времени, как будто на них действует антигравитация, — говорит Леб, — такое ускоряющееся расширение вселенной можно объяснить, если вселенная заполнена субстанцией с отрицательным давлением, именно тем материалом, который нужен для возникновения кротовой норы». При этом оба ученых убеждены, если появление кротовой норы естественным путем и возможно, то для этого потребовалось бы огромное количество экзотической материи. И только высокоразвитая цивилизация может рассчитывать на то, чтобы накопить достаточное количество такой энергии и стабилизировать такой туннель.

Хотя другие физики подобных убеждений не разделяют. «Полагаю, что идея стабильной проходимой кротовой норы недостаточно вразумительна и, судя по всему, не соответствует известным законам физики», — говорит Мальдасена. А Сабина Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) из Скандинавского института теоретической физики в Швеции (Nordic Institute for Theoretical Physics) настроена еще более скептически: «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». И даже если бы такая экзотическая материя существовала, передвижение внутри нее было бы крайне неприятным. По словам Хоссенфельдер, в каждом случае ощущения зависели бы от кривизны пространственно-временной структуры вокруг туннеля и от плотности энергии внутри него. «Это очень похоже на черные дыры: слишком велики приливообразующие силы — и человека разорвет на куски».

Несмотря на свою роль в создании фильма, Торн также не очень верит в возможность появления такого проходимого туннеля, и уж тем более в то, что астронавты смогут пройти его живыми и невредимыми. «Если они и могут существовать, то я очень сомневаюсь, что они могут возникнуть в астрофизической вселенной естественным образом», — пишет он в своей книге. Но при этом Торн очень признателен Кристоферу и Джоне Ноланам (Christopher & Jonah Nolan) за то, что свой фильм они создали на научной основе.

«Сам сюжет полностью принадлежит Крису и Джоне, — рассказывает Торн в своем эксклюзивном интервью изданию Wired, — а вот истинный смысл, идея снять фильм, в фабулу которого изначально вплетена научная теория — причем, теория грандиозная — все это в точности как в книге».

http://inosmi.ru/world/20141115/224292373.html