Сквозь кротовую нору

Как пожать руку самому себе, прилетевшему из будущего? Почему в вашей комнате вдруг может материализоваться лев? Как попасть в другую Вселенную, побывать в машине времени и что такое «белая дыра»? Об этом нам рассказал старший научный сотрудник лаборатории физики звезд Главной (Пулковской) обсерватории Сергей Красников.

- Сергей Владиленович, что же такое кротовая нора?

- Совсем строгого определения нет. Такие определения нужны, когда вы доказываете какие-то теоремы, а строгих теорем почти нет, поэтому в основном ограничиваются образными понятиями, картинками. Представьте себе, что мы вынули шар из нашего трехмерного пространства в одной комнате и точно такой же шар вынули в другой комнате, а получившиеся границы этих дыр склеили. Таким образом, когда мы в одной комнате шагнем внутрь этого бывшего шара, ставшего дырой, то вынырнем в другой комнате – из дыры, которая образовалась на месте другого шара. Если бы у нас пространство было бы не трехмерным, а двухмерным – это выглядело бы как лист бумаги, к которому приклеена ручка. Трехмерный аналог и его развитие во времени называется кротовой норой.

- Как вообще изучают кротовые норы?

- Это чисто теоретическая деятельность. Кротовые норы никто никогда не видел, и, в общем, пока нет никакой уверенности, что они вообще существуют. Кротовые норы и начинали изучать, отталкиваясь от вопроса: нет ли в природе таких механизмов, которые гарантировали бы нам, что таких нор в природе существовать не может? Этих механизмов не нашли, поэтому можно предположить, что кротовые норы – явление реальное.

- Возможно ли, в принципе, увидеть кротовую нору?

- Разумеется. Если в запертой комнате у вас вдруг ниоткуда вылезает человек, то вы наблюдаете кротовую нору. Кротовые норы как объект изучения придумал и пропагандировал американский физик-теоретик Джон Уилер, который с их помощью хотел объяснить, ни много, ни мало, – электрические заряды. Поясним. Описание свободного электрического поля с точки зрения теоретической физики – не очень сложная задача. А вот описать электрический заряд с той же точки зрения очень непросто. Электрический заряд предстает в этом смысле весьма загадочной вещью: какая-то субстанция, отдельная от поля, непонятного происхождения, и непонятно как с ним обращаться в классической физике. Идея же Уилера состояла в следующем. Допустим, у нас есть микроскопическая кротовая нора, которая пронизана силовыми линиями – с одного конца эти линии в нее входят, а с другого – выходят. Сторонний наблюдатель, который не знает, что эти два конца соединены силовыми линиями, такой объект будет воспринимать как простую сферу в пространстве, будет исследовать поле вокруг нее, и оно будет выглядеть так, как поле точечного заряда. Только наблюдателю будет казаться, что это какая-то загадочная субстанция, у которой есть заряд и т.д., а все потому, что он не знает, что на самом деле это – кротовая нора. Конечно, это очень элегантная идея, и многие пытались ее развить, но особенно не продвинулись, потому что электроны – это, все-таки, квантовые объекты, а кротовые норы на квантовом уровне никто, естественно, описывать не умеет. Но если предположить, что гипотеза справедлива, то кротовые норы – более, чем повседневное явление, все, что связано с электричеством, будет завязано, в конечном счете, именно на них.


Экзотическая материя — классическое понятие физики, описывающее любое (как правило, гипотетическое) вещество, которое нарушает одно или несколько классических условий, либо не состоит из известных барионов. Подобные вещества могут обладать такими качествами, как отрицательная плотность энергии или отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Экзотическая материя используется в некоторых теориях, например, в теории о строении кротовых нор. Наиболее известным представителем экзотической материи является вакуум в области с отрицательным давлением, производимым эффектом Казимира.

- Какие бывают кротовые норы?

- С точки зрения теоретических путешествий бывают проходимые и непроходимые кротовые норы. Непроходимые – это те, проход через которые разрушается, причем происходит это настолько быстро, что перейти из одного конца в другой никакой объект просто не успевает. Конечно, наиболее интересен для изучения второй вид кротовых нор – проходимые. Есть даже красивая теория, которая гласит: то, что мы привыкли считать сверхмассивными черными дырами в центрах галактик – это на самом деле устья кротовых нор. Теория эта почти не развита и не нашла, естественно, пока никакого подтверждения, она существует, скорее, как некая идея. Суть ее в том, что снаружи от кротовой норы вы только видите, что в центре галактики находится некий сферически симметричный объект, но что он собой представляет – кротовую нору или черную дыру – сказать вы не можете, поскольку находитесь снаружи этого объекта.

Фактически отличить их можно только по одному параметру – массе. Если масса оказывается отрицательной, то это наверняка кротовая нора, а вот если масса положительная, тот тут нужна дополнительная информация, потому что и черная дыра может оказаться кротовой норой. Отрицательная масса вообще – это один из центральных моментов всей истории с кротовыми норами. Потому что для того, чтобы быть проходимой – кротовая нора должна быть заполнена тем, что называется экзотическим веществом – веществом, у которого хотя бы местами, в каких-то точках плотность энергии является отрицательной. На классическом уровне никто никогда такого вещества не видел, но мы точно знаем, что оно в принципе может существовать. Зарегистрированы квантовые эффекты, которые приводят к возникновению такого вещества. Это довольно известный феномен и называется он эффект Казимира. Он был официально зарегистрирован. И связан как раз с существованием отрицательной плотности энергии, что очень вдохновляет.

Эффект Казимира — эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идет о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещенных на близком расстоянии, но эффект Казимира существует и при более сложных геометриях. Причина эффекта – энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нем виртуальных частиц. Эффект был предсказан голландским физиком Хендриком Казимиром в 1948 году, а позднее подтвержден экспериментально.

Вообще, в квантовой науке отрицательная плотность энергии – это довольно распространенная вещь, с которой связано, например, хокинговское испарение. Если же такая плотность существует – мы можем задать следующий вопрос: насколько велика масса черной дыры (параметр создаваемого ею гравитационного поля)? Есть решение этой задачи, которое применимо к черным дырам – то есть объектам с положительной массой, а есть решение, применимое для отрицательной массы. Если экзотической материи в кротовой норе будет достаточно много, то снаружи масса этого объекта будет отрицательной. Поэтому один из главных видов «наблюдений» кротовых нор – это отслеживание объектов, в отношении которых можно предположить, что они имеют отрицательную массу. И если мы такой объект найдем, то с довольно большой долей вероятности можно будет сказать, что это – кротовая нора.

Кротовые норы делятся также на внутримировые и межмировые. Если мы разрушим тоннель между двумя устьями второго вида нор – мы сможем увидеть две совершенно несвязанные между собой вселенные. Такая кротовая нора называется межмировой. Но если мы проделаем то же самое и увидим, что все нормально – мы остались в той же Вселенной, – то перед нами внутримировая кротовая нора. У этих двух видов кротовых нор очень много общего, но есть и важное различие. Дело в том, что внутримировая кротовая нора, если она существует, склонна превращаться в машину времени. Собственно, именно на фоне этого предположения и возник последний всплеск интереса к кротовым норам.

В случае внутримировой кротовой норы существует два разных способа взглянуть на соседа: непосредственно через тоннель или окольным путем. Если вы начнете одно устье кротовой норы двигать относительно другого, то в соответствии с хорошо известным парадоксом близнецов, второй человек, вернувшись из путешествия, окажется моложе остававшегося. А с другой стороны, когда вы смотрите через тоннель – вы оба сидите в неподвижных, с вашей точки зрения, лабораториях, у вас ничего не происходит, часы ваши синхронизированы. Таким образом, у вас есть теоретическая возможность нырнуть в этот тоннель и вылезти в момент, который с точки зрения внешнего наблюдателя предшествует тому моменту, когда вы нырнули. Доведенная до соответствующей степени задержка породит возможность такого кругового путешествия в пространстве-времени, когда вы вернетесь в исходное место отправления и пожмете своему предыдущему воплощению руку.

Парадокс близнецов — мысленный эксперимент, при помощи которого пытаются «доказать» противоречивость специальной теории относительности. Согласно СТО, с точки зрения «неподвижных» наблюдателей все процессы у двигающихся объектов замедляются. С другой стороны, принцип относительности декларирует равноправие инерциальных систем отсчета. На основании этого строится рассуждение, приводящее к кажущемуся противоречию. Для наглядности рассматривается история двух братьев-близнецов. Один из них (путешественник) отправляется в космический полет, а второй (домосед) – остается на Земле. Чаще всего «парадокс» формулируется следующим образом:

С точки зрения домоседа, часы движущегося путешественника имеют замедленный ход времени, поэтому при возвращении они должны отстать от часов домоседа. С другой стороны, относительно путешественника двигалась Земля, поэтому отстать должны часы домоседа. На самом деле братья равноправны, следовательно, после возвращения их часы должны показывать одно время. Однако, согласно СТО, отставшими окажутся часы путешественника. В таком нарушении видимой симметричности братьев и усматривается противоречие.


- В чем принципиальная разница кротовой норы и черной дыры?

- Прежде всего, надо сказать, что есть два типа черных дыр – те, что образовались в результате коллапса звезд, и те, что существовали изначально, возникли вместе с возникновением самой Вселенной. Это два принципиально разных типа черных дыр. В свое время было такое понятие, как «белая дыра», сейчас оно употребляется редко. Белая дыра – это та же черная, но эволюционирующая вспять по времени. В черную дыру вещество только залетает, а вырваться оттуда не может уже никогда. Из белой дыры, наоборот, вещество только вылетает, но попасть в нее никоим образом нельзя. На самом деле, это очень естественная вещь, если мы вспомним, что Общая Теория Относительности симметрична по времени, а, значит, если есть черные дыры – должны существовать и белые. Их совокупность представляет собой кротовую нору.

- Что известно о внутреннем устройстве кротовых нор?

- Пока в этом смысле только строятся модели. С одной стороны мы знаем, что появление этой экзотической материи возможно обнаружено даже экспериментально, и все равно остается масса вопросов. Единственная известная мне модель кротовой норы, более-менее согласованная с реальностью – это модель изначально испаряющейся (со времен возникновения Вселенной) кротовой норы. За счет этого испарения такая нора надолго остается проходимой.

- Над чем именно работаете вы?

- Я занимаюсь чисто теоретической деятельностью, то, что обобщенно можно назвать причинной структурой пространства-времени – это классическая Теория Относительности, иногда полуклассическая (квантовой пока, как известно, не существует).

В классической нерелятивистской теории можно придумать достаточно убедительные доказательства того, что путешествий во времени быть не может, а вот в ОТО таких доказательств нет. И Эйнштейн, когда только разрабатывал свою теорию, это осознавал. Ему было интересно, нет ли какого-то способа такую возможность исключить. Тогда он с этой задачей не справился, как он сам позже и говорил. И хотя Эйнштейн создал язык для изучения этого вопроса, задача так и оставалась академической. Всплеск интереса к ней случился в конце 1940-х годов, когда Гёдель предложил космологичекую модель, содержащую такие замкнутые кривые. Но поскольку Гёдель всегда предлагал что-то экзотическое – к этому отнеслись с интересом, но без серьезных научных последствий. А потом, где-то в конце прошлого века, благодаря, в основном, фантастике – например, фильму «Контакт» с Джоди Фостер – интерес к теме путешествий во времени с помощью кротовых нор снова возродился. Автор романа, по которому написан сценарий фильма, – это очень известный астроном, популяризатор науки Карл Саган. Он подошел к делу очень серьезно и попросил своего друга, тоже очень известного релятивиста, Кипа Торна, посмотреть возможно ли все, что описано в фильме с точки зрения науки. И тот опубликовал полупопулярную статью в журнале для американских учителей физики «Кротовые норы как орудие изучения Общей Теории Относительности», где рассматривал возможность путешествий во времени сквозь кротовые норы. А надо сказать, что тогда в научной фантастике была популярна идея путешествий сквозь черные дыры. Но он понимал, что черная дыра – объект абсолютно непроходимый – путешествия сквозь них невозможны, поэтому рассматривал кротовые норы как возможность путешествий во времени. Хотя это было известно до этого, но люди почему-то восприняли его выводы как совершенно свежую мысль, и бросились ее исследовать. Причем, акцент был на презумпции того, что машины времени существовать не может, но решили выяснить почему. И довольно быстро пришло понимание, что никаких очевидных возражений против существования такой машины вовсе нет. С тех пор начались уже более масштабные исследования, стали появляться теории. В общем-то, с тех самых пор этим занимаюсь и я.

«Контакт» – научно-фантастический фильм 1997 года. Режиссер – Роберт Земекис. Основной сюжет: Элли Эрроуэй (Джуди Фостер) всю свою жизнь посвятила науке, она становится участницей проекта по поиску внеземного разума. Все попытки поиска внеземных сигналов бесплодны, и будущее ее проекта под угрозой. Элли отчаивается найти поддержку, но неожиданно получает помощь от эксцентричного миллиардера Хэддена. И вот результат – Элли улавливает сигнал. Расшифровка сигнала показывает, что в нем содержится описание технического устройства. Назначение его непонятно, но внутри задумано место на одного человека.

После создания и запуска устройства Элли отправляется в путешествие по системе кротовых нор и переносится, вероятно, на планету в иной звездной системе. Очнувшись там, на берегу моря, она встречает представителя иной цивилизации, который выбрал образ ее покойного отца. Оглянувшись вокруг, героиня понимает, что эта местность воссоздана инопланетным разумом в ее сознании по образу рисунка, нарисованного ею в детстве. Инопланетянин говорит ей, что устройство позволяет организовать систему межзвездных путей сообщения, и Земля отныне становится членом сообщества цивилизаций Вселенной.

Элли возвращается на Землю. С точки зрения сторонних наблюдателей, с ней после запуска установки ничего не произошло, и нашу планету ее тело не покидало. Элли оказывается в парадоксальной ситуации. Будучи ученым, она с точки зрения строгой науки никак не может подтвердить свои слова. Выясняется также и еще одно обстоятельство: видеокамера, прикрепленная к Элли во время путешествия, ничего не записала, но продолжительность пустой записи составила не несколько секунд, а 18 часов…

- Возможно ли «сделать» кротовую нору?

- Как раз насчет этого существует строгий научный результат. Это из-за того, что точных результатов по изучению кротовых нор нет. Есть теорема, доказанная уже очень давно, и она говорит вот о чем. Есть такое понятие, как глобальная гиперболичность. В данном случае совершенно неважно, что оно означает, но суть в том, что пока и поскольку пространство глобально гиперболично, кротовую нору создать невозможно – она может существовать в природе, но сделать ее самим не получится. Если глобальную гиперболичность вам нарушить удастся, то, может быть, вы и сможете породить кротовую нору. Но дело в том, что это нарушение само по себе настолько экзотическая вещь, настолько плохо изученная и малопонятная, что побочный результат в виде рождения кротовой норы – это уже сравнительно мелочь по сравнению с самим фактом того, что вам удалось нарушить глобальную гиперболичность. Здесь имеет место очень известная вещь, называемая «принципом строгой космической цензуры», который говорит, что пространство всегда глобально гиперболично. Но это, в принципе, не более, чем пожелание. Нет никаких доказательств верности этого принципа, просто есть некая внутренняя уверенность, присущая многим людям, что пространство-время должно быть глобально гиперболичным. Если это так, кротовую нору создать невозможно – надо искать существующую. Между тем, суровые сомнения в верности принципа космической цензуры были высказаны самим автором – Роджером Пенроузом, но это уже другая история.

- То есть для создания кротовой норы требуются какие-то серьезные энергетические затраты?

- Тут очень трудно что-то сказать. Беда в том, что когда у вас нарушается глобальная гиперболичность, то одновременно нарушается и предсказуемость – это практически одно и то же. Вы можете как-то геометрически менять пространство возле себя, например, взять сумку и поставить ее в другое место. Но есть определенные пределы, в которых вы можете это делать, в частности, предел, налагаемый предсказуемостью. Например, иногда вы можете сказать, что произойдет через 2 секунды, а иногда – нет. Грань того, что вы можете или не можете предсказать, как раз и пролегает по глобальной гиперболичности. Если у вас пространство-время глобально гиперболично – вы можете предсказывать его эволюцию. Если мы допускаем, что в какой-то момент оно нарушает глобальную гиперболичность – с предсказуемостью все становится очень плохо. Поэтому возникает удивительная вещь, например, такая, что прямо здесь и сейчас может материализоваться кротовая нора, сквозь которую выскочит лев. Это будет экзотическое явление, но оно не будет нарушать никаких законов физики. А с другой стороны, вы можете затратить кучу сил, денег и ресурсов, чтобы как-то облегчить этот процесс. Но результат все равно будет один и тот же – в обоих случаях вы не знаете, появится кротовая нора или нет. В классической физике мы с этим поделать ничего не можем – захочет, возникнет, не захочет – не возникнет – квантовая же наука никаких подсказок в этом вопросе нам пока не дает.

Принцип «космической цензуры» был сформулирован в 1969 году Роджером Пенроузом в следующей образной форме: «Природа питает отвращение к голой сингулярности». Он гласит, что сингулярности пространства-времени появляются в таких местах, которые, подобно внутренним областям черных дыр, скрыты от наблюдателей. Этот принцип до сих пор не доказан, и есть основания сомневаться в его абсолютной правильности (например, коллапс пылевого облака с большим угловым моментом приводит к «голой сингулярности», но неизвестно, стабильно ли это решение уравнений Эйнштейна относительно малых возмущений начальных данных).

Формулировка Пенроуза (сильная форма космической цензуры) предполагает, что пространство-время в целом является глобально гиперболическим.

Позднее Стивен Хокинг предложил другую формулировку (слабую форму космической цензуры), где предполагается только глобальная гиперболичность «будущего» компонента пространства-времени.