Если когда-нибудь у вас будет космический корабль, и если даже он сможет перемещаться с максимально возможной скоростью, у вас всё равно будет одна большая проблема. Большая, как сам космос. Если вас будут интересовать межзвёздные перелёты, то на преодоление гигантских расстояний между звездами потребуются сотни, тысячи и миллионы лет.
Но у всякой проблемы есть решение. Можно будет создать червоточину, соединяющую две разных точки в пространстве напрямую. Эти пространственные туннели очень популярны в научной фантастике, но основаны они на настоящей науке. Правда, и тут есть одна проблема. Создать червоточину (или, что то же самое, кротовую нору) чрезвычайно сложно. Хотя для этого существует три варианта действий.
1) Мост Эйнштейна — Розена
Стоит сразу отметить, что математика общей теории относительности (ОТО) никоим образом не отрицает существование кротовых нор. ОТО описывает то, как работает гравитация, и язык её математического аппарата, созданного Эйнштейном, достаточно прямолинеен. Эйнштейн понял, что хотя нам гравитация кажется силой, на самом деле это просто ощущение, возникающее от путешествия по кочкам и извилинам пространства-времени. Эти же самые кочки с извилинами возникают от распределения материи и энергии в пространстве-времени. В итоге материя и энергия сообщают пространству, как ему изгибаться, а изгибы пространства сообщают материи, как ей перемещаться.
Чтобы создать червоточину, нам нужно так расположить материю и энергию, чтобы они поспособствовали появлению туннеля. Взяв за основу ОТО, нам надо найти такое решение уравнений, которое разрешает существование кротовых нор.
На первый взгляд получается, что проще всего создать червоточину, создав чёрную дыру. Чёрные дыры — это участки пространства, отрезанные от остальной Вселенной. Это что-то вроде проколов в самом пространстве-времени — точки бесконечной плотности, или сингулярности, обёрнутые в односторонний барьер, горизонт событий. Напор гравитации внутри горизонта событий настолько силён, что ничто, даже свет, не может убежать за его пределы. И это будет не просто одностороннее путешествие, а быстрое падение в центр чёрной дыры. Попав за горизонт событий, вы гарантированно достигнете сингулярности за конечное время.
Решение для чёрной дыры появляется в ОТО в ответ на простой вопрос – что будет, если втиснуть материю в определённый объём пространства с такой плотностью, чтобы ей не могла сопротивляться ни одна сила?
Однако правильных ответов на такой вопрос бывает несколько. Математика ОТО даёт противоположное верное решение уравнений, которое называют, соответственно, белой дырой. У белой дыры в центре тоже есть сингулярность, только её горизонт событий работает наоборот – ничто не может войти в белую дыру, а всё, что формируется внутри белой дыры, быстро, со скоростью, превышающей скорость света, вылетает наружу.
Какая тут связь с чёрными дырами? Из математики ОТО вытекает, что при формировании чёрной дыры тут же появляется и белая дыра, соединённая с ней. Связанная пара чёрной и белой дыр автоматически порождает червоточину. Такую червоточину называют мостом Эйнштейна-Розена, в честь Альберта Эйнштейна и его коллеги, Натана Розена, предложивших эту идею в 1935 году.
Однако у такой конструкции есть две проблемы. Во-первых, белых дыр, скорее всего, не существует. Это чрезвычайно энергетически нестабильные объекты. И всё из-за обратного горизонта событий, который ничего не впускает снаружи, зато всё постоянно выплёвывает. Поскольку белая дыра – это эквивалент чёрной дыры, работающий так, будто время идёт задом наперёд, эволюция белой дыры должна выглядеть, как формирование чёрной дыры наоборот – белая дыра теряет массу, а потом спонтанно формирует звезду.
Однако вот так, на пустом месте, спонтанно звезду создать нельзя, потому что это противоречит второму закону термодинамики. Поэтому от идеи белых дыр придётся отказаться. А это означает, что если отринуть чистую математику ОТО и попытаться создать чёрную дыру в реальном мире, то никакой белой дыры не возникнет. Весь материал, необходимый для создания белой дыры, остановит её возникновение в зародыше и породит лишь чёрную дыру.
Но если бы вам как-то удалось создать пару из чёрной и белой дыр, у вас была бы в распоряжении червоточина – только очень специфическая. Проблема с мостами Эйнштейна-Розена состоит в том, что вход в червоточину располагается внутри горизонта событий чёрной дыры. Чтобы отправиться в путешествие через кротовую нору, вам придётся преодолеть односторонний барьер. По определению этого барьера, выбраться оттуда вы уже не сможете, и проследуете к сингулярности, что бы ни случилось. Об этом недвусмысленно заявляет та же самая математика, что разрешает существовать червоточинам. А в центре сингулярности вас ждёт неминуемая аннигиляция.
2) Мост Морриса-Торна
Итак, если нам нужна пригодная для использования кротовая нора, нам нужно организовать вход в неё, расположенный за пределами горизонта событий. Тогда мы сможем безопасно войти в туннель (в «глотку» на жаргоне физиков) червоточины, и избежать тем самым мелких неприятностей, связанных с аннигиляцией в сингулярности.
И вновь мы обращаемся к аппарату ОТО, чтобы понять, каким образом для этого можно было бы расположить материю и энергию. И вновь Эйнштейн разрешает нам сделать подобную кротовую нору. Но и у неё есть одна проблема: стабильность.
Червоточины удивительно нестабильны. Да, можно создать туннель, соединяющий два удалённых участка пространства-времени. И посмотреть на творение рук своих с удивлением и гордостью. НО в тот самый момент, когда что угодно — даже один жалкий фотон — пройдёт по этой кротовой норе, она тут же разорвётся, как перетянутая резинка, и схлопнется быстрее скорости света. Увы.
Поэтому нам нужно добавить ещё один критерий для создания приличной червоточины – она должна быть стабильной и позволять проходить через глотку массивным объектам, не схлопываясь при этом. И вновь ОТО спешит нам на помощь. Физики Майкл Моррис и Кип Торн нашли такое решение в 1988 году. Основательно порывшись в дебрях ОТО, они смогли найти способ сконструировать стабильную, практичную и проходимую червоточину со входом, расположенным за пределами горизонта событий.
Для этого нужно всего ничего: найти экзотическую материю, обладающую отрицательной массой. Не антиматерию – это всего лишь близнец нормальной материи с противоположными зарядами. Не тёмную материю – это загадочная форма материи, доминирующая во Вселенной. А материю с отрицательной массой.
В уравнениях у отрицательной материи есть чудесное свойство – она достаточно сильно расширяет вход в червоточину, и одновременно отменяет дестабилизирующее влияние нормальной материи. Но что такое отрицательная материя?
Представьте, что вы взяли в руки шар для боулинга, а он весит минус 8 килограмм. Или купили в магазине минус полкило мяса. Звучит странно и контринтуитивно, потому что так оно и есть. У науки нет ни единого примера существования отрицательной материи где-либо во Вселенной. Если бы мы нашли такую материю, это перевернуло бы всё представление о физике.
К примеру, если ударить ногой по мячу с отрицательной массой, он должен будет полететь в сторону, противоположную той, в которую его хотели послать. Если его уронить, он полетит вверх. Если поместить отрицательную материю рядом с обычной, то отрицательная будет отталкиваться от нормальной, а нормальная – притягиваться к отрицательной, и они будут бесконечно разгонять друг друга без всяких вливаний энергии.
Отрицательная материя будет противоречить законам сохранения импульса и энергии. И хотя ни один закон физики не является догмой, а новые наблюдения всегда могут опровергнуть текущие представления, обнаружение материи с отрицательной массой было бы чем-то совершенно из ряда вон выходящим.
3) Мост из экзотической материи
Самое интересное начинается, если обратиться к отрицательной энергии. Вселенная не против существования отрицательной энергии, а энергия и материя суть две стороны одной медали (самый очевидный пример – уравнение E = mc2, «с» в котором – всего лишь константа, показывающая, сколько энергии заключено в единице массы, и наоборот). А самая доступная форма отрицательной энергии содержится в самом вакууме.
С точки зрения современной физики весь мир, всё пространство-время пронизано квантовыми полями. Поля накладываются друг на друга и взаимодействуют сложными интересными способами. К примеру, части полей могут обрести энергию и начать движение – с точки зрения наблюдателя это будет выглядеть как перемещение элементарной частицы. Для всех известных частиц существуют соответствующие поля – фотонное (обычно известное как электромагнитное), электронное, поле верхнего кварка, и т.п.
Если удалить из какого-либо пространства-времени все частицы, то в полном вакууме всё равно останутся все их поля. И у них будет некий уровень присущей им энергии, потому что все эти поля постоянно и непрерывно «вибрируют». С какой-то точки зрения, им присуща бесконечная энергия.
Получается, в вакууме пространства-времени заключено огромное количество энергии. Естественно, это доставляет проблем физикам, пытающимся разработать теорию этих полей. Вся современная физика держится на хитроумных способах обхода всех этих бесконечностей и предсказании поведения частиц (и в основном они работают).
Изобилие энергии даёт нам возможность придумывать хитроумные сценарии по её локальному уменьшению – нужно просто получить что-то, отличное от бесконечной энергии вакуума на определённом участке, и у нас в руках окажется отрицательная энергия.
Одно из подобных явлений называется эффектом Казимира в честь нидерландского физика Хендрика Казимира. Если взять две металлических пластины, и разместить их параллельно и очень близко друг к другу, вы ограничите варианты возможных вибраций вакуума в промежутке между ними. Их всё равно будет бесконечное количество, но эта бесконечность будет не такой «большой», как бесконечность вне этого участка. Путём хитроумных математических уловок можно вычесть одну бесконечность из другой и получить отрицательную энергию, проявляющуюся как сила притяжения между пластинами.
Эффект Казимира реален и был измерен (он, кстати, мешает строить механизмы наноразмеров – но это уже совсем другая история). Отрицательная энергия во Вселенной есть. А где есть отрицательная энергия, там есть и потенциальная возможность создания стабильной и проходимой кротовой норы. Но и тут подстерегает проблема – нужно решить одну из крупнейших задач физики.
Физики уверены, что решение задачи по созданию червоточины неразрывно связано с теорией квантовой гравитации — союзом квантовой механики и ОТО. ОТО разрешает кротовым норам существовать только при определённых условиях (к примеру, при наличии отрицательной энергии). Квантовая механика — квантовая теория поля — говорит, как добыть отрицательную энергию. Но как два этих кусочка головоломки соотносятся друг с другом, нам пока непонятно. Теории квантовой гравитации у нас нет.
Неясно, к примеру, на самом ли деле та отрицательная энергия, которая возникает в эффекте Казимира, подойдёт для решения наших задач. Она отрицательная по отношению к остальной Вселенной, а будет ли этого достаточно для создания и стабилизации червоточины, непонятно. Возможно, нам понадобится действительно отрицательная энергия — а её может и не существовать, как отрицательной материи.
Кроме того, отрицательная энергия в эффекте Казимира очень слабая и работает на малых масштабах. Конечно, эффект работает между двумя металлическими пластинами, разведёнными на небольшое расстояние, но как масштабировать его на макроскопический объект, непонятно.
Можно попробовать создать кротовую нору при помощи более экзотических структур. Теоретически могут существовать космические струны – отголоски тех ранних времён, когда четыре фундаментальных взаимодействия физики отделялись друг от друга. Можно попробовать продеть эти космические струны через глотку червоточины, закрепив их концы, как концы кабелей, удерживающих подвесной мост, и это стабилизирует червоточину. Однако хотя космологи уверены в их существовании, пока ни одной такой струны мы не нашли.
Физики-теоретики, развивая теории модифицированной гравитации, которые должны помочь отказаться от использования тёмной материи, внезапно обнаружили, что в некоторых из этих теорий кротовые норы могут существовать без использования всяких экзотических вариантов материи или энергии. Однако эти же теории предсказывают, что скорость распространения гравитации меньше, чем скорость света. А это тяжело объяснить после наблюдений, сделанных в 2017 году, когда килоновая (слияние двух нейтронных звёзд) определённо продемонстрировала, что гравитация и свет распространяются с примерно одинаковой скоростью.
Теория струн всё ещё надеется стать решением задачи квантовой гравитации, заменив точечные частицы на продолговатые объекты – струны и браны. Некоторые теоретики обнаружили, что эта теория позволяет существовать стабильным кротовым норам. Но эта теория не закончена, и никаких практических результатов до сих пор не дала.
Исследование природы квантовых полей вблизи горизонта событий чёрной дыры намекает на то, что возможно будет создать стабильную червоточину. Однако такие кротовые норы могут быть крошечными, диаметром не более 10-35 м – полезными их назвать нельзя. Кроме этого, вся их математика основывается на кучке упрощений и предположений касательно квантовой гравитации, которые могут быть ошибочными.
На текущий момент это всё, что известно про кротовые норы. Физикам нравится эта тема, потому что она напрямую связана с квантовой гравитацией. Ну и потому что червоточины — это круто. Так что хотя пока до туманности Андромеды нам далеко, не будем отчаиваться: может, мы доберёмся до неё раньше, чем она до нас.
