В уже столь обласканном критиками и зрителями фильме Interstellar астронавты в поисках спасения для человечества отправляются прямиком в пространственно-временной тоннель (п-в тоннель), который очень таинственно и своевременно появился в окрестностях Сатурна. Тоннель привёл космический корабль в далёкую галактику, где герои обретают шанс найти пригодную для колонизации планету. При создании "червоточины" Нолан опирался на консультации профессора Кипа Торна (Kip Thorne), астрофизика, помогавшего в своё время Карлу Сагану описать «червоточину» для его повести Contact. Этот феномен в фильме визуализирован великолепно и многими уже назван наиболее точным изображением «червоточины» в кинематографе. Но есть один аспект, который в фильме никак не освещён: а как вообще выжить при подобном путешествии?
Историческая справка
Гипотеза о существовании во вселенной точек входа в п-в тоннели — червоточин — была впервые выдвинута Альбертом Эйнштейном и его ассистентом Натаном Розеном. Они пытались решить уравнения Эйнштейна для общей теории относительности, чтобы прийти к чисто математической модели всей вселенной, включая гравитацию и элементарные частицы. В процессе работы они описали пространство как две параллельные плоскости, соединённые «перемычками», которые мы относим к частицам.
Другой физик, Людвиг Фламм (Ludwig Flamm), независимо от них предположил существование подобных перемычек в 1916 году в своём решении уравнений Эйнштейна. К сожалению, «теории всего» создать не получилось, поскольку эти предполагаемые перемычки вели себя не совсем как настоящие частицы. Но Эйнштейн и Розен в публикации от 1935 года популяризировали саму идею существования туннелей сквозь пространство-время, что заставило других учёных серьёзно задуматься над этим вопросом.
Чёрная дыра
Сам термин «червоточина» был предложен в 1960-х годах физиком Джоном Вилером (John Wheeler), когда он изучал модель Эйнштейна-Розена. Он сравнил наше трёхмерное пространство с поверхностью яблока. В этом яблоке червяк прогрызает ход, и можно либо по поверхности яблока добраться до противоположной стороны, либо сделать это гораздо быстрее, но через червоточину, насквозь. Так и космические п-в тоннели, теоретически, могут позволить мгновенно попасть в невероятно далёкие уголки Вселенной, до которых свет добирается «по прямой» тысячи и даже миллионы лет.
Вилер заметил, что описание входов в тоннель хорошо подходит под описание объекта, известного как чёрная дыра Шварцшильда — «простейшая» чёрная дыра, не имеющая электрического заряда и не вращающаяся. Может ли чёрная дыра быть ещё и входом в п-в тоннель? С точки зрения математики, может быть. Но никто не сможет выжить при входе в такую червоточину.
Согласно модели Шварцшильда, чёрная дыра является сингулярностью, нейтральной, неподвижной сферой с бесконечной плотностью. Вилер вычислил, что может произойти, если червоточина образовалась в ткани пространства-времени, соединив собой две сингулярности в разных частях Вселенной. Такой тоннель крайне нестабилен, после своего образования он сжимается и разрывается. Процесс образования и сжатия происходит так быстро, что даже свет не успевает пройти от одного конца тоннеля до другого. Поэтому корабль, который попытается пролететь через такой п-в тоннель, окажется внутри сингулярности и его мгновенно уничтожат неизмеримые гравитационные силы.
Альтернатива
Согласно другой теории, входом в п-в тоннель может быть вращающаяся чёрная дыра Керра. Сингулярность внутри такой чёрной дыры имеет форму кольца, а не сферы, и некоторые модели допускают возможность выживания гипотетического корабля, если он пройдёт точно сквозь центр кольца. Однако Торн выдвинул целый ряд возражений на это. В 1987 году он написал, что в червоточине Керра присутствует крайне нестабильна область, называемая горизонт Коши. Математики утверждают, что как только что-нибудь, включая свет, попытается пересечь этот горизонт, тоннель схлопнется. Даже если каким-то образом стабилизировать червоточину, то квантовая теория говорит нам, что внутри всё будет заполнено высокоэнергетическими частицами. Иными словами, корабль моментально сгорит.
Однако физики всё ещё проводят связь между классической теорией гравитации и квантовым миром с помощью довольно туманных математических вычислений. С точки зрения физиков Хуана Малдасены (Juan Maldacena) и Леонарда Сасскинда (Leonard Susskind) из Стэнфорда, червоточины могут быть чем-то вроде физического воплощения запутанности, когда квантовые объекты соединены друг с другом вне зависимости от расстояния между ними.
Большое количество экспериментов говорят нам, что квантовая запутанность действительно существует, и её уже даже использовали для защиты сетевых коммуникаций, например, при проведении банковских транзакций. Согласно Малдасене и Сасскинду, большое количество квантовой запутанности меняет геометрию пространства-времени и может стать катализатором образования червоточин в виде "запутанных чёрных дыр". Но это уже не межзвёздные тоннели. В подобных червоточинах невозможно путешествовать быстрее скорости света.
Итак, чёрные дыры не могут быть подходящим вариантом для червоточины. Может быть, они вообще не существуют. По словам Ави Лоеэба (Avi Loeb) из Гарвардско-Смитсонианского центра астрофизики, ещё не существует теории, которая бы надёжно объединяла общую теорию относительности с квантовой механикой. Нам неизвестно, существуют ли иные структуры, которые могут быть входами в п-в тоннели.
Луч надежды
В 1987 году Торн написал, что любая червоточина, согласующаяся с общей теорией относительности, будет схлопываться, если только в открытом состоянии её не будет поддерживать так называемая «экзотическая материя» с отрицательной энергией. Торн утверждал, существование этой самой материи подтверждается экспериментами, показывающими, как квантовые флуктуации в вакууме, судя по всему, создают отрицательное давление между двумя зеркалами, расположенными очень близко друг к другу. По мнению Ави Лоэба, наши поиски тёмной материи также могут привести к подтверждению существования экзотической материи:
С течением времени галактики разлетаются со всё возрастающей скоростью, словно на них действует отталкивающая гравитация. Это ускоряющееся расширение Вселенной может быть объяснено тем, что наше пространство заполнено субстанцией с отрицательным давлением, совсем как материя, необходимая для существования червоточин."Однако для этой цели нужно слишком много экзотической материи, и только очень высокоразвитая цивилизация могла бы надеяться реализовать такой проект.
Однако другие физики не согласны с вышесказанным.Малдасена говорит:
Я считаю, что стабильная червоточиная, через которую можно путешествовать, должна быть крайне извилистой и, возможно, несоответствующей известным нам физическим законам.
Сабина Хоссенфельдер (Sabina Hossenfelder) из Нордического института теоретической физики в Швеции, более скептична:
У нас нет абсолютно никаких доказательств существования червоточин. Вероятно, они и не могут существовать, а даже будь это не так, то они были бы крайне нестабильны.
Даже если бы экзотическая материя существовала, путешествие сквозь неё не было бы приятным. Её воздействие на корабль и астронавтов зависело бы от искривления пространства-времени вокруг червоточины, и плотности энергии внутри неё. Это как с чёрной дырой: слишком сильные приливные силы разорвут корабль на мельчайшие частицы.
Торн считает, вряд ли в природе существуют п-в тоннели, через которые нам удастся путешествовать.
Даже если они существуют, я очень сильно сомневаюсь, что они формируются в астрофизической Вселенной."