Физики обосновали существование кротовых нор в пространстве-времени

Ученые из Испании, Германии и Португалии создали теоретическую модель кротовой норы — предполагаемого туннеля в пространстве-времени, — не требующей для своего существования экзотического состояния вещества. А американские физики определили, какими параметрами должна обладать эта гипотетическая структура, чтобы через нее мог пройти человек. Результаты исследований опубликованы в журналах Physical Review Letters и Physical Review D.

Понятие кротовой норы, или червоточины (дословный перевод английского wormhole) ввел в физику американский ученый Джон Арчибальд Уилер. Традиционно ее представляют в виде отверстия, или трехмерной трубы, соединяющей между собой изогнутое двумерное пространство. Через такую трубу можно за секунды переместиться из одной части галактики в другую, путешествовать во времени или между параллельными вселенными.

Существование туннеля в пространстве-времени не противоречит общей теорией относительности, но, если бы он существовал, гравитационное притяжение вещества внутри него, по мнению ученых, заставило бы горловину в самом узком месте схлопнуться, препятствуя перемещению с одной стороны кротовой норы на другую.

Поэтому в качестве необходимого условия проходимости кротовой норы физики предполагают заполнение ее какой-то экзотической материей с отрицательной плотностью энергии, создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы. Под экзотической материей понимают любое 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, и отталкиваться, а не притягиваться вследствие гравитации. Так как законы существования экзотической материи неизвестны, такие кротовые норы нельзя описать с помощью уравнений классической физики.

Исследователям под руководством Хосе Бласкес-Сальседо (Jose Blázquez-Salcedo) из Мадридского университета Комплутенсе впервые удалось описать проходимую кротовую нору без привлечения экзотических веществ, с помощью релятивистски инвариантных уравнений Эйнштейна-Дирака-Максвелла для точечных фермионов со спином ½, таких как электроны и позитроны. Материю в ней ученые рассматривают как набор общих фермионов, обладающих квантовыми волновыми функциями и взаимодействующих через классические электромагнитные поля.

Меняя такие параметры, как заряд и масса фермионов, авторы обнаружили, что проходимые кротовые норы могут существовать, когда отношение общего заряда к общей массе внутри нее превышает теоретический предел, применимый к черным дырам. Но червоточины, которые моделировали ученые, оказались микроскопическими, слишком маленькими, чтобы через них мог протиснуться человек.

Американские физики Хуан Мальдасена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований в Нью-Джерси и Алексей Милехин (Alexey Milekhin) из Принстонского университета построили модель кротовой дыры, проходимой для человека.

За основу они взяли не Стандартную модель физики, а модель Рэндалла-Сундрума, использующую аппарат теории струн и описывающую мир с точки зрения деформированного пятимерного пространства-времени. Это позволило ученым найти решения, в которых червоточины достаточно велики, чтобы человек мог пройти через них и выжить.

По словам авторов, внешне они напоминают заряженные черные дыры промежуточной массы. Их большой размер обусловлен требованием, чтобы путешественник мог пережить приливные силы, так как он, проходя через центр червоточины, приобретает очень большое ускорение. Теоретически сквозь такую кротовую нору человек может совершить путешествие через галактику менее чем за секунду. Но для стороннего наблюдателя это время составит тысячи лет.

Исследователи отмечают, что они не рассматривали вероятный механизм и условия образования подобных переходов, а только обосновали возможность их описания разрешенными уравнениями.