Червоточины в пространстве-времени могут быть возможными, предполагает новое исследование

Могут существовать реальные способы создания космических мостов, предусмотренных общей теорией относительности.

В начале исследований черных дыр, еще до того, как они даже получили такое название, физики еще не знали, существуют ли эти странные объекты в реальном мире. Они могли бы быть вычурностью сложной математики, которая использовалась в тогда еще молодой общей теории относительности, которая описывает гравитацию. Однако с годами накапливались доказательства того, что черные дыры вполне реальные и существуют даже здесь, в нашей галактике.

А сейчас другое странное предсказание из общей теории относительности - червоточины, эти тоннели на другую сторону Вселенной, которые так по-фантастически звучат, - находится в той же неопределенности. Настоящие ли они? И если они существуют в нашем космосе, могут ли люди надеяться использовать их для передвижения? После предсказания их существования в 1935 году, исследования, казалось бы, указывали на то, что червоточины вряд ли являются элементом реальности. Но новое исследование предлагает намеки на то, как они могут возникнуть, и процесс может быть проще, чем физики долгое время считали.

Начальная идея насчет червоточин возникла у физиков Альберта Эйнштейна и Натана Розена (*1). Они изучили странные уравнения, которые, как мы сейчас знаем, описывают этот неотвратимый карман пространства, который мы называем черной дырой, и поставили вопрос: что они на самом деле из себя представляют? Эйнштейн и Розен обнаружили, что, по крайней мере теоретически, поверхность черной дыры может работать как мост, который соединяется со вторым участком космоса. Путешествие может быть таким, как будто вы спустились в слив вашей ванны, и вместо того, чтобы застрять в трубах, вы вышли в другую ванну, такую же, как и первую.

Дальнейшая работа расширила эту идею, но обнаружила две устойчивые проблемы, которые препятствуют образованию легко заметных, пригодных для использования червоточин: хрупкость и крошечность. Во-первых, как оказалось, в общей теории относительности гравитационное притяжение любой нормальной материи, проходящей через червоточину, действует так, что тоннель закрывается. Для создания стабильной червоточины нужен какой-то дополнительный, нетипичный ингредиент, который действует таким образом, чтобы удерживать отверстие открытым, который исследователи называют «экзотической» материей.

Во-вторых, процессы создания червоточины, которые ученые исследовали, полагаются на эффекты, которые могут воспрепятствовать вхождению макроскопического путешественника. Проблема заключается в том, что процесс, создающий червоточину и экзотическую материю, которая ее стабилизирует, не может слишком отходить от привычной физики. «Экзотическая» не означает, что физики могут придумывать любые вещи, которые будут работать только на бумаге. Но пока привычная физика давала лишь микроскопические червоточины. Большая червоточина требует процесса или типа материи, который является необычным и правдоподобным одновременно.

Прорыв произошел в конце 2017 года, когда физики Пинг Гао и Даниэль Джафферис из Гарвардского университета, а также Арон Уолл из Института перспективных исследований в Принстоне обнаружили способ (*2) оставить червоточины открытым с помощью квантовой запутанности — своего рода связи на большом расстоянии между квантовыми сущностями. Своеобразная природа запутанности позволяет ей обеспечить экзотический ингредиент, необходимый для стабильности червоточины. И поскольку запутанность является стандартной особенностью квантовой физики, создать ее относительно просто. Хотя метод помогает стабилизировать червоточины, он все еще может доставлять только микроскопические вещи. Но этот новый подход вдохновил на поток работ, который использует уловки с запутанностью с различными видами материи в надежде на большие, длительные червоточины.

Одна из простых для представления идей есть в препринте исследования Набила Икбала и Саймона Росса из Даремского университета. Оба попытались проверить, смогут ли они заставить метод Гао-Джафферис-Уолла создать большую червоточину. И их работа  (*3) показала, как специальные возмущения в магнитных полях, окружающих черную дыру, могут теоретически создавать стабильные червоточины. К сожалению, эффект все еще образует лишь микроскопические червоточины.

Работа Икбала и Росса освещает деликатную часть конструкции червоточины: поиск реалистического процесса, который не требует чего-то добавленного, что выходит за пределы привычной физики. Физик Хуан Мальдацена из Института перспективных исследований, который еще в 2013 году предложил связь между червоточинами и запутанностью, и его коллега Алексей Милехин из Принстонского университета нашли метод (*4), который может создать большие червоточины. Уловка их подхода заключается в том, что таинственная темная материя, которая наполняет нашу Вселенную, должна вести себя определенным образом, и мы возможно не живем во вселенной, похожей на такую (то есть, метод выходит за пределы Стандартной модели, но может работать в модели Рендалл-Сундрума, в котором мир описывается в 5 измерениях).

Бум исследований червоточины продолжается. Пока ничто вроде изготовленной на заказ червоточины размером в человека не выглядит вероятным, но результаты действительно показывают прогресс.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.

*1 https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.48.73

*2 https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP12(2017)151

*3 https://arxiv.org/abs/2103.01920

*4 https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.066007