Кротовая нора — Википедия
Крото́вая нора́, или «крото́вина», «кротови́на»[1], а также «червячный переход» или «червото́чина» (последнее является дословным переводом англ. wormhole) — топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени «тоннель» в пространстве. Эти области могут быть как связаны и помимо кротовой норы, представляя собой области единого пространства (см. пример на рисунке ниже), так и полностью разъединены, представляя собой отдельные пространства, связанные между собой только посредством кротовой норы.
Кротовые норы согласуются с общей теорией относительности. Понятие кротовой норы, включая её название (wormhole), ввёл в оборот американский физик Джон Арчибальд Уилер.
Визуализация
[править | править код]Для упрощённого представления о кротовой норе пространство представляется как двумерная (2D) поверхность. В этом случае кротовая нора будет выглядеть как отверстие в этой поверхности, переходящее в трёхмерную трубу (внутреннюю поверхность цилиндра), а затем вновь появляться в другом месте на двухмерной поверхности с отверстием, похожим на вход. Отличие реальной кротовой норы заключалось бы в числе пространственных измерений, которых было бы три. Например, вместо круглых входных и выходных отверстий в 2D-плоскости были бы сферы в 3D-пространстве.
Другой способ представить себе кротовые норы — взять лист бумаги и нарисовать две отдалённые точки на одной стороне листа. Лист бумаги представляет плоскость в пространственно-временном континууме, а две точки представляют расстояние, которое необходимо пройти. Однако теоретически кротовая нора может соединить эти две точки, если сложить эту плоскость так, чтобы точки касались друг друга. Поскольку две точки теперь соприкасаются, то пересечь расстояние будет намного легче.
Кротовые норы в общей теории относительности
[править | править код]Общая теория относительности (ОТО) допускает существование таких туннелей, хотя для существования проходимой кротовой норы необходимо, чтобы она была заполнена экзотической материей с отрицательной плотностью энергии[2], создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Решения типа кротовых нор возникают в различных вариантах квантовой гравитации, хотя до полного исследования вопроса ещё очень далеко.
Область вблизи самого узкого участка кротовой норы называется «горловиной». Кротовые норы делятся на «внутримировые» (англ. intra-universe) и «межмировые» (англ. inter-universe), в зависимости от того, можно ли соединить её входы кривой, не пересекающей горловину.
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 — мост Эйнштейна — Розена в максимально расширенном пространстве Шварцшильда, а проходимой — кротовины Морриса — Торна.
Проходимая внутримировая кротовая нора даёт гипотетическую возможность путешествий во времени[3], если, например, один из её входов движется относительно другого, или если он находится в сильном гравитационном поле, где течение времени замедляется. Также кротовые норы гипотетически могут создавать возможность для межзвёздных путешествий, и в этом качестве кротовины нередко встречаются в научной фантастике.
Кротовые норы и экзотическая материя
[править | править код]Для того, чтобы понять, для чего требуется экзотическая материя, следует рассмотреть входящий сигнал светового фронта, передвигающегося вдоль геодезических, которые пересекают червоточину и вновь расширяются с другой стороны. Расширение идёт с отрицательного на положительное. Согласно оптической теореме Рейчаудхури[англ.] это требует нарушения усреднённого светового энергетического условия[англ.]. Квантовые эффекты, такие, как эффект Казимира, не могут его нарушать в любой окрестности пространства с нулевой кривизной[4], но расчёты в полуклассической гравитации[англ.] предполагают, что квантовые эффекты могут нарушить это условие в искривлённом пространстве-времени[5]. Несмотря на это, было предположение, что квантовые эффекты не могут нарушать ахрональную версию усреднённого светового энергетического условия[6], но нарушения, тем не менее, были найдены[7], в связи с этим остаётся открытой возможность того, что квантовые эффекты могут быть использованы для поддержки червоточины.
Метрики кротовых нор
[править | править код]Теории метрик кротовых нор описывают геометрию пространства-времени кротовой норы и служат теоретическими моделями для путешествий во времени. Например, метрика проходимой кротовой норы может иметь следующий вид:
Один из типов метрики непроходимой кротовой норы является решением Шварцшильда:
Кротовые норы и квантовая запутанность
[править | править код]В статье, опубликованной в немецком журнале «Fortschritte der Physik» в 2013 году, Малдасена и Сасскинд заявили, что червоточина — технически мост Эйнштейна — Розена, или ЭР — является пространственно-временным эквивалентом квантовой запутанности. Это позволило разрешить проблему файервола[8][9].
Путешествия во времени
[править | править код]Если существуют проходимые червоточины, они могут позволить путешествие во времени[10]. Предлагаемая машина времени, использующая проходимую червоточину, гипотетически будет работать следующим образом: один конец червоточины ускоряется до околосветовой скорости, возможно, с помощью какой-то продвинутой двигательной установки, а затем возвращается в исходную точку. Другой способ состоит в том, чтобы взять один вход в червоточину и переместить его в гравитационное поле объекта с большей гравитацией, чем второй вход, а затем вернуть его в положение рядом со вторым входом. Для обоих этих методов замедление времени приводит к тому, что для внешнего наблюдателя перемещаемый конец червоточины стареет меньше или становится «моложе» неподвижного конца. Так как время соединяется через червоточину иначе, чем снаружи, то синхронизированные часы на любом конце червоточины всегда будут оставаться синхронизированными для наблюдателя, проходящего через червоточину, независимо от движения концов[11]:502. Это означает, что наблюдатель, входящий в «молодой» конец, выйдет из более «старого» конца во время, равное возрасту более «молодого» конца, что продемонстрирует разный ход времени с точки зрения внешнего наблюдателя. Одним существенным ограничением такой машины времени является то, что изменить ход во времени можно только до момента создания этой машины. В любых случаях не представляется возможным проходя через червоточины появиться ранее события входа в саму червоточину, даже при расположении входа и выхода в червоточины рядом[11]:503.
В 1993 году Мэтт Виссер утверждал, что два устья червоточины с такой индуцированной разностью часов не могут быть объединены без индукции квантового поля и гравитационных эффектов, которые либо разрушат червоточину, либо два устья будут отталкивать друг друга[12], или, в противном случае, будет невозможна передача информации через червоточину[13]. Из-за этого два выхода невозможно будет расположить достаточно близко для получения нарушения причинности. Однако в статье 1997 года Виссер предположил, что сложная конфигурация «кольца Романа[англ.]» (названная в честь Тома Романа) из N червоточин, расположенных в симметричном многоугольнике, все ещё может работать как машина времени, хотя он и пришёл к выводу, что это скорее всего недостаток в классической квантовой теории гравитации, а не доказательство того, что возможно нарушение причинности[14].
Путешествия между вселенными
[править | править код]Возможное разрешение парадоксов, возникающих в результате путешествия во времени через червоточины, основано на многомировой интерпретации квантовой механики.
В 1991 году Дэвид Дойч показал, что квантовая теория полностью согласована (в том смысле, что так называемая матрица плотности может быть сделана свободной от разрывов) в пространствах-временах с замкнутыми временоподобными кривыми[15]. Однако позже было показано, что такая модель замкнутой времениподобной кривой может иметь внутренние противоречия, поскольку она приведёт к таким странным явлениям, как выделение неортогональных квантовых состояний и выделение собственной и несобственной смеси[16][17]. Соответственно, предотвращена деструктивная положительная обратная связь циркулирующих через червоточину виртуальных частиц, которая является результатом полуклассических вычислений. Частица, возвращающаяся из будущего, возвращается не в свою исходную вселенную, а в параллельную вселенную. Это говорит о том, что машина времени на основе червоточины является теоретическим мостом между одновременными параллельными вселенными[18].
Поскольку машина времени на основе червоточины вводит в квантовую теорию тип нелинейности, этот вид связи между параллельными вселенными согласуется с предложением Джозефа Полчински о телефоне Эверетта[19] (названного в честь Хью Эверетта) в формулировке нелинейная квантовая механика Стивена Вайнберга[20].
Возможность связи между параллельными вселенными была названа путешествием между вселенными (англ: interuniversal travel)[21].
Люди, внёсшие вклад в развитие теории
[править | править код]- Джон Арчибальд Уилер. Ввёл в физику само понятие кротовой норы, включая её название (wormhole). Развил теорию заряда без заряда, по которой электрического заряда как отдельной субстанции не существует, а то, что мы воспринимаем как заряженные частицы, суть горловины микроскопических кротовин, пронизанных электрическим полем[22].
- Кип Торн и Майкл Моррис. Привлекли внимание к связи между существованием кротовых нор и нарушением причинности.
- Мэтт Виссер. Опубликовал этапную книгу Lorentzian wormholes: from Einstein to Hawking, в которой подведены итоги развития теории кротовых нор к 1995 г.
- Сергей Сушков. Выдвинул идею самоподдерживающейся кротовой норы, которая удерживается от коллапса поляризацией вакуума, вызванной геометрией этой норы.
- Сергей Красников показал, что пустые кротовые норы, возникшие в ранней Вселенной, могут оставаться проходимыми в течение макроскопического времени за счёт механизма Сушкова.
- Никола́й Семёнович Кардашёв популяризировал идею, что в центре галактик находятся не массивные чёрные дыры, а устья кротовых нор[23].
Примечания
[править | править код]- ↑ slovar.cc/rus/efremova-tolk/298087.html
- ↑ Космос-журнал: Кротовая нора . Дата обращения: 6 ноября 2011. Архивировано 16 февраля 2012 года.
- ↑ Грин, Брайан. Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности. – М.: Книжный дом «ЛИБРКОМ», 2009. Стр. 464-471.
- ↑ Fewster C.J., Olum K.D., Pfenning M.J. Averaged null energy condition in spacetimes with boundaries // Phys. Rev. D. — 2007. — Vol. 75, No. 2. — doi:10.1103/PhysRevD.75.025007. Архивировано 6 марта 2019 года.
- ↑ Visser M. Gravitational vacuum polarization. II. Energy conditions in the Boulware vacuum // Physical Review D. — Vol. 54, No. 8. — doi:10.1103/PhysRevD.54.5116. Архивировано 6 марта 2019 года.
- ↑ Graham N., Olum K.D. Achronal averaged null energy condition // Physical Review D. — 2007. — Vol. 76, No. 6. — doi:10.1103/PhysRevD.76.064001. Архивировано 6 марта 2019 года.
- ↑ Urban D., Olum K.D. Spacetime averaged null energy condition // Physical Review D. — 2010. — Vol. 81, No. 6. — doi:10.1103/PhysRevD.81.124004. Архивировано 10 декабря 2021 года.
- ↑ Квантовая запутанность и червоточины могут быть тесно связаны . hi-news.ru. Дата обращения: 11 октября 2015. Архивировано 12 октября 2015 года.
- ↑ Хуан Малдасена Чёрные дыры, кротовые норы и секреты квантового пространства-времени // В мире науки. — 2017. — № 1/2. — С. 82-89.
- ↑ Michael; Morris. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1988. — Vol. 61, no. 13. — P. 1446—1449. — doi:10.1103/PhysRevLett.61.1446. — . — PMID 10038800. Архивировано 9 июля 2011 года.
- ↑ 1 2 Kip S. Thorne. Black Holes and Time Warps. — W. W. Norton, 1994. — ISBN 978-0-393-31276-8.
- ↑ Мэтт Виссер[англ.]. From wormhole to time machine: Comments on Hawking's Chronology Protection Conjecture (англ.) // Physical Review D : journal. — 1993. — Vol. 47, no. 2. — P. 554—565. — doi:10.1103/PhysRevD.47.554. — . — arXiv:hep-th/9202090.
- ↑ Visser, Matt (2002). "The quantum physics of chronology protection". arXiv:gr-qc/0204022.
- ↑ Мэтт Виссер[англ.]. Traversable wormholes: the Roman ring (англ.) // Physical Review D : journal. — 1997. — Vol. 55, no. 8. — P. 5212—5214. — doi:10.1103/PhysRevD.55.5212. — . — arXiv:gr-qc/9702043.
- ↑ David; Deutsch. Quantum Mechanics Near Closed Timelike Lines (англ.) // Physical Review D : journal. — 1991. — Vol. 44, no. 10. — doi:10.1103/PhysRevD.44.3197. — .
- ↑ Brun et al. Localized Closed Timelike Curves Can Perfectly Distinguish Quantum States (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2009. — Vol. 102, no. 21. — doi:10.1103/PhysRevLett.102.210402. — . — arXiv:0811.1209. — PMID 19519086.
- ↑ Pati. Purification of mixed states with closed timelike curve is not possible (англ.) // Physical Review A : journal. — 2011. — Vol. 84, no. 6. — doi:10.1103/PhysRevA.84.062325. — . — arXiv:1003.4221.
- ↑ Rodrigo, Enrico. The Physics of Stargates. — Eridanus Press, 2010. — С. 281. — ISBN 978-0-9841500-0-7.
- ↑ Joseph; Polchinski. Weinberg's Nonlinear quantum Mechanics and the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1991. — Vol. 66, no. 4. — P. 397—400. — doi:10.1103/PhysRevLett.66.397. — . — PMID 10043797.
- ↑ Enrico Rodrigo, The Physics of Stargates: Parallel Universes, Time Travel, and the Enigma of Wormhole Physics, Eridanus Press, 2010, p. 281.
- ↑ Samuel Walker, "Inter-universal travel: I wouldn’t start from here Архивная копия от 26 октября 2019 на Wayback Machine, New Scientist (1 February 2017).
- ↑ Грин, 2021, Разрушение черных дыр.
- ↑ Понизовкин А. Академик Н.С. Кардашев: «Астрофизика объединяет человечество» : [арх. 25 сентября 2015] // Наука Урала. — 2015. — № 3 (1112).
Литература
[править | править код]- Брайан Грин. До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной = Brian Greene. Until the End of Time: Mind, Matter, and Our Search for Meaning in an Evolving Universe.. — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 548 с. — ISBN 978-5-00139-343-6.
- DeBenedictis, Andrew and Das, A. On a General Class of Wormhole Geometries . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Dzhunushaliev, Vladimir. Strings in the Einstein's paradigm of matter . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Einstein A., Rosen N. The Particle Problem in the General Theory of Relativity // Phys. Rev. — 1935. — Vol. 48. — P. 73—77.
- Fuller R.W., Wheeler J.A. Causality and Multiply Connected Space-Time // Phys. Rev. — 1962. — Vol. 128, № 2. — P. 919—929.
- Garattini, Remo. How Spacetime Foam modifies the brick wall . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- González-Díaz, Pedro F. Quantum time machine . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- González-Díaz, Pedro F. Ringholes and closed timelike curves . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Khatsymosky, Vladimir M. Towards possibility of self-maintained vacuum traversable wormhole . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Krasnikov, Serguei. Counter example to a quantum inequality . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Krasnikov, Serguei. The quantum inequalities do not forbid spacetime shortcuts . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Li, Li-Xin. Two Open Universes Connected by a Wormhole: Exact Solutions . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Morris M., Thorne K., Yurtsever U. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition // Physical Review Letters. — 1988. — Vol. 61, No. 13. — P. 1446—1449. — .
- Morris M.S.,Thorne K.S. Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity // American Journal of Physics. — 1988. — Vol. 56. — P. 395—412. Архивировано 1 июля 2011 года..
- Nandi, Kamal K. and Zhang, Yuan-Zhong. A Quantum Constraint for the Physical Viability of Classical Traversable Lorentzian Wormholes . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Ori, Amos. A new time-machine model with compact vacuum core . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Roman, Thomas, A. Some Thoughts on Energy Conditions and Wormholes . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Teo, Edward. Rotating traversable wormholes . arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Visser, Matt. The quantum physics of chronology protection by Matt Visser. arXiv eprint server. Дата обращения: 12 августа 2005.
- Visser M. Traversable wormholes: Some simple examples // Phys. Rev. D. — 1989. — Vol. 39, No. 10. — P. 3182—3184. — doi:10.1103/PhysRevD.39.3182.
Ссылки
[править | править код]- Зима К. Кротовая нора» — коридор времени . Телестудия Роскосмоса (12 ноября 2011).
- What exactly is a 'wormhole'? Have wormholes been proven to exist or are they still theoretical? (англ.). Scientific American, a Division of Nature America, Inc (15 сентября 1997).
- Visser M. Why wormholes? General Interest Articles (англ.). Victoria University of Wellington, New Zealand (3 октября 1996).
- Current theory on wormhole creation. Ideas Based On What We’d Like To Achieve (англ.). NASA.gov.
- Rodrigo E. Questions and Answers about Wormholes (англ.) (2005).
- Müller Th. Visualization of a Morris-Thorne wormhole. Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme (англ.). Universität Stuttgart. Дата обращения: 15 февраля 2015. Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года.
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист |