Французский физик доказал стабильность кротовых нор

Новая необычная теория, созданная французским физиком Паскалем Койраном, предполагает, что кротовые норы — порталы, соединяющие разные части Вселенной и даже позволяющие путешествовать во времени, — могут оказаться стабильными, если их рассматривать в рамках метрики Эддингтона — Финкельштейна.

Кротовые норы, допускающие быстрое перемещение в другую часть Вселенной или даже совершать путешествия во времени, могут быть не только возможны, но и стабильны. Об этом говорит новая теория, развитая французским физиком Паскалем Койраном из Высшей нормальной школы в Лионе, применившим для своих вычислений модифицированную метрику Эддингтона — Финкельштейна. Его статья, появившаяся в октябре в базе данных препринтов arXiv.org, планируется к публикации в ближайшем выпуске Journal of Modern Physics D.

Возможность существования кротовых нор, или пространственно-временных туннелей, проколов в метрике, позволяющих быстро преодолевать практически любые расстояния, была предсказана на основе Общей теории относительности Эйнштейна. По-английски их именуют «червоточины» (wormholes), это название в 1956 году ввел в оборот Джон Уилер, которому наука обязана также термином «черная дыра».

До нового исследования физика Паскаля Койрана было широко распространено мнение, что для поддержания «червоточины» в открытом состоянии потребуется некая теоретическая экзотическая материя, поскольку иначе туннель быстро исчезнет после его создания без силы, удерживающей его от «схлопывания».

«Никто не знает, с чего начать, и можно ли сделать червоточину в реальности, но думать о них довольно забавно, и они отлично подойдут для исследования нашей огромной Вселенной»,

— пояснила в своем комментарии для газеты Daily Express австралийский астрофизик Ханна Миддлтон из Мельбурнского университета.

Обычно проблема построения кротовых нор заключается в том, чтобы подобрать такую конфигурацию материи и энергии, чтобы это позволило сформировать стабильный туннель, пропускающий не только отдельные частицы, но и крупные тела. К тому же кротовые норы, «построенные» обычным способом в рамках Общей теории относительности, оказывались фактически непроходимыми. Входы в такие кротовые норы скрываются за горизонтом событий, который остается для нас непреодолимым препятствием. Это означает, что если человек даже попадет в такую кротовую нору, то выбраться из нее уже не сможет.

Другая проблема связана с тем, что макроскопические кротовые норы могут оказаться очень нестабильными — если даже одиночный фотон или другая легкая частица попадает в горловину, то вся червоточина неминуемо разрушится, прежде чем эта частица успеет дойти до конечной точки. Считалось, что для стабилизации кротовой норы необходимо создавать ее из экзотической материи, обладающей свойством отрицательной энергии, что опять же в рамках обычных теорий достижимо пока лишь в микроскопических квантовых масштабах.

Новая теория противоречит предыдущим предсказаниям о том, что все эти образования должны мгновенно схлопываться и дает шанс на построение стабильных кротовых нор. Вся разница тут в небольших отличиях математических теорий, используемых для описания таких червоточин, которые в конечном итоге кардинально меняют общую картину их поведения.

Хотя основные правила общей теории относительности неизменны, теория предоставляет большую свободу для математического описания координат перемещающихся объектов — физики именуют эти разные описания «метриками». Различные метрики можно представить как разные способы описания того, как добраться до того или иного пункта назначения — руководствуясь, скажем, широтой и долготой по спутниковому навигатору или какими-то относительными ориентирами вроде названий улиц.

Точно так же физики могут использовать разные метрики для описания одной и той же ситуации, и иногда одна метрика бывает более полезна, чем другая. Когда дело доходит до черных дыр и кротовых нор, тут есть несколько потенциальных возможностей описания их поведения. Самая известная метрика Шварцшильда, названная в честь немецкого физика и астронома Карла Шварцшильда, позволила впервые описать свойства черных дыр, однако описывая «маршруты» движения через кротовые норы с помощью этой метрики, физики сталкиваются с трудностями на определенной дистанции от объекта, определяемой как радиус Шварцшильда, или горизонт событий. Разрушение метрики, происходящее в таких случаях, не позволяет корректно описывать разные точки в пространстве-времени.

Есть, впрочем, и альтернатива — еще одна метрика, называемая метрикой Эддингтона — Финкельштейна, которая описывает, что происходит с частицами, когда они достигают горизонта событий: они проходят сквозь черную дыру и падают в нее, чтобы никогда больше не появиться в прежнем мире. Одним из преимуществ этой системы координат считается то, что особенности на радиусе Шварцшильда она трактует всего лишь как координатные сингулярности, а не истинно физические. Но причем здесь кротовые норы? Дело в том, что самый «простой» способ построить кротовую нору — это «расширить» «обычную» черную дыру, соединив ее с противоположной, «зеркальной» сущностью, «белой дырой». Эта идея была впервые предложена Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном, поэтому кротовые норы иногда называют также «мостами Эйнштейна — Розена». В то время как черные дыры ничего не выпускают наружу, «белые дыры» никогда ничего не пропускают внутрь себя. Это и позволяет в итоге соорудить кротовую нору, туннель через пространство-время.

Если теоретически кротовую нору можно создать, то возникает вопрос: что произойдет, если кто-то все же попытается сквозь нее пройти? Стандартный ответ заключается в том, что сами по себе «белые дыры» нестабильны (и, вероятно, даже не существуют), а экстремальные силы внутри червоточины заставляют ее растягиваться и искажаться в момент ее образования.

Но Эйнштейн и Розен строили свою кротовую нору с помощью обычной метрики Шварцшильда, и большинство исследователей проблем построения кротовых нор используют ту же метрику. Поэтому физик Паскаль Койран из Ecole Normale Supérieure de Lyon во Франции попробовал нечто иное: вместо этого он использовал метрику Эддингтона — Финкельштейна.

Койран обнаружил, что, используя эту метрику, можно легко проследить путь частицы через гипотетическую кротовую нору. Выяснилось, что частица может пересечь горизонт событий, войти в туннель кротовой норы и уйти через другую «горловину», и все это за конечный промежуток времени. Метрика Эддингтона — Финкельштейна не дает сбоев ни на одном этапе этой траектории.

«Хорошо известно, что пробная масса, падающая в черную дыру, не достигает горизонта событий ни при каком конечном значении параметров в рамках метрики Шварцшильда, — говорится в исследовании. — Напротив, мы показываем, что горизонт событий достигается при конечном значении переменной времени в рамках метрики Эддингтона — Финкельштейна».

Означает ли это, что «мосты Эйнштейна — Розена» действительно устойчивы? Не совсем. Общая теория относительности говорит только о поведении гравитации, но не о других силах природы. Термодинамика, описывающая свойства макроскопических систем, свидетельствует о том, что белые дыры нестабильны. И если физики попытаются создать комбинацию черной дыры и белой дыры в реальной Вселенной, используя реальные материалы, то, согласно таким вычислениям, разнонаправленные силы разорвут всю эту конструкцию на части.

Тем не менее результат Койрана все равно интересен, потому что он указывает на то, что червоточины не так катастрофичны, как это казалось прежде, могут существовать стабильные пути через туннели кротовых нор — и это полностью разрешимо в рамках общей теорией относительности.