Deși Einstein credea că găurile negre sunt prea incredibile și nu pot exista în natură, mai târziu, în mod ironic, a arătat că sunt chiar mai bizare decât și-ar fi putut imagina oricine. Einstein a explicat posibilitatea existenței unor „portale” spațiu-timp în adâncurile găurilor negre. Fizicienii numesc aceste portaluri găuri de vierme deoarece, asemenea unui vierme care mușcă în pământ, ele creează o cale alternativă mai scurtă între două puncte. Aceste portaluri sunt uneori denumite și portaluri sau „porți” către alte dimensiuni. Indiferent cum le-ați numi, într-o zi ele pot deveni un mijloc de călătorie între dimensiuni diferite, dar acesta este un caz extrem.

Primul care a popularizat ideea de portaluri a fost Charles Dodgson, care a scris sub pseudonimul Lewis Carroll. În Alice Through the Looking-Glass, el și-a imaginat un portal sub forma unei oglinzi care face legătura între suburbiile Oxford și Țara Minunilor. Deoarece Dodgson era matematician și preda la Oxford, era conștient de aceste spații multiconectate. Prin definiție, un spațiu multiconectat este de așa natură încât lasoul din el nu poate fi contractat la dimensiunea unui punct. De obicei, orice buclă poate fi trasă la un punct fără nicio dificultate. Dar dacă luăm în considerare, de exemplu, o gogoașă în jurul căreia se înfășoară un laso, vom vedea că lasoul va strânge această gogoașă. Când începem să strângem încet bucla, vom vedea că nu poate fi comprimată la dimensiunea unui punct; în cel mai bun caz, poate fi tras în jos până la circumferința unei gogoși comprimate, adică până la circumferința „găurii”.

Matematicienilor le-a plăcut faptul că au reușit să găsească un obiect care era complet inutil în descrierea spațiului. Dar în 1935, Einstein și studentul său Nathan Rosen au introdus teoria portalurilor în lumea fizică. Au încercat să folosească soluția la problema găurii negre ca model pentru particule elementare. Lui Einstein însuși nu i-a plăcut niciodată teoria newtoniană conform căreia gravitația unei particule tinde spre infinit pe măsură ce se apropie de ea. Einstein credea că această singularitate ar trebui eradicată pentru că nu are sens.

Einstein și Rosen au avut ideea inițială de a reprezenta electronul (de obicei considerat ca un punct minuscul fără structură) ca o gaură neagră. Astfel, relativitatea generală ar putea fi folosită pentru a explica misterele lumea cuanticăîn teoria câmpului unificat. Au început cu o soluție pentru o gaură neagră standard, care arată ca o vază mare cu un gât lung. Apoi au tăiat „gâtul” și l-au conectat la o altă soluție particulară a ecuațiilor găurii negre, adică la o vază care a fost întoarsă cu susul în jos. Potrivit lui Einstein, această configurație bizară, dar echilibrată, ar fi liberă de singularitatea de la originea găurii negre și ar putea acționa ca un electron.

Din păcate, ideea lui Einstein de a reprezenta electronul ca o gaură neagră a eșuat. Dar astăzi, cosmologii sugerează că podul Einstein-Rosen ar putea servi drept „poartă” între cele două universuri. Ne putem deplasa liber în jurul universului până când cădem accidental într-o gaură neagră, unde suntem imediat târâți prin portal și ne apărăm pe cealaltă parte (după ce trecem prin gaura „albă”).

Pentru Einstein, orice soluție a ecuațiilor sale, dacă a pornit de la un punct de plecare fizic probabil, trebuia să fie legată de un obiect fizic probabil. Dar nu și-a făcut griji cine va cădea în gaura neagră și va ajunge într-un univers paralel. Forțele mareelor ​​ar crește la infinit în centru, iar câmpul gravitațional ar rupe imediat atomii oricărui obiect care a avut ghinionul de a cădea în gaura neagră. (Podul Einstein-Rosen se deschide într-o fracțiune de secundă, dar se închide atât de repede încât niciun obiect nu poate trece prin el suficient de repede pentru a ajunge pe cealaltă parte.) Einstein credea că, deși existența unor portaluri este posibilă, o ființă vie nu poți niciodată să treci prin niciuna dintre ele și să povestești despre experiențele tale din această călătorie.

Podul Einstein-Rosen. În centrul unei găuri negre se află un „gât” care se conectează la spațiu-timp al altui univers sau alt punct din universul nostru. În timp ce călătoria printr-o gaură neagră staționară ar fi fatală, găurile negre care se rotesc au o singularitate inelară care ar permite trecerea prin inel și prin podul Einstein-Rosen, deși acest lucru este încă în conjecturi.

Este curbată, iar gravitația, familiară tuturor, este o manifestare a acestei proprietăți. Materia se îndoaie, „îndoaie” spațiul din jurul său și cu cât este mai mult, cu atât este mai dens. Cosmosul, spațiul și timpul sunt toate foarte subiecte interesante. După ce ai citit acest articol, cu siguranță vei afla ceva nou despre ei.

Ideea de curbură

Multe alte teorii ale gravitației, dintre care există sute astăzi, diferă în detalii de relativitatea generală. Cu toate acestea, toate aceste ipoteze astronomice păstrează principalul lucru - ideea de curbură. Dacă spațiul este curbat, atunci putem presupune că ar putea lua, de exemplu, forma unei țevi care leagă zonele care sunt separate de mulți ani lumină. Și poate chiar epoci departe unele de altele. La urma urmei, nu vorbim despre spațiul care ne este familiar, ci despre spațiu-timp când ne gândim la cosmos. O gaură în ea poate apărea numai în anumite condiții. Vă invităm să aruncați o privire mai atentă asupra unui fenomen atât de interesant precum găurile de vierme.

Primele idei despre găurile de vierme

Spațiul profund și misterele lui fac semn. Gândurile despre curbură au apărut imediat după publicarea GR. L. Flamm, un fizician austriac, spunea deja în 1916 că geometria spațială poate exista sub forma unui fel de gaură care leagă două lumi. Matematicianul N. Rosen și A. Einstein în 1935 au observat că cele mai simple soluții de ecuații din cadrul relativității generale, care descriu surse izolate încărcate electric sau neutre care creează, au o structură spațială de „punte”. Adică, ele conectează două universuri, două spațiu-timp aproape plate și identice.

Mai târziu, aceste structuri spațiale au devenit cunoscute sub numele de „găuri de vierme”, care este o traducere destul de liberă din de limba engleză cuvânt gaură de vierme. O traducere mai apropiată a acesteia este „găura de vierme” (în spațiu). Rosen și Einstein nici măcar nu au exclus posibilitatea de a folosi aceste „punți” pentru a descrie particulele elementare cu ajutorul lor. Într-adevăr, în acest caz, particula este o formațiune pur spațială. Prin urmare, nu este nevoie să modelați în mod specific sursa de sarcină sau de masă. Și un observator extern îndepărtat, dacă gaura de vierme are dimensiuni microscopice, vede doar o sursă punctiformă cu sarcină și masă în timp ce se află într-unul dintre aceste spații.

Poduri Einstein-Rosen

Pe de o parte, liniile electrice de forță intră în gaură, iar pe de altă parte ies, fără să se termine sau să înceapă nicăieri. J. Wheeler, un fizician american, a spus cu această ocazie că se obțin „încărcare fără sarcină” și „masă fără masă”. Nu este deloc necesar în acest caz să considerăm că puntea servește la conectarea a două universuri diferite. Nu mai puțin adecvată ar fi presupunerea că la gaura de vierme ambele „guri” ies în același univers, totuși, în timpuri diferiteși în puncte diferite. Se dovedește ceva care seamănă cu un „mâner” gol, dacă este cusut într-o lume familiară aproape plată. Liniile de forță intră în gură, ceea ce poate fi înțeles ca o sarcină negativă (să spunem un electron). Gura din care ies are o sarcină pozitivă (pozitron). În ceea ce privește masele, acestea vor fi aceleași de ambele părți.

Condiții pentru formarea „podurilor” Einstein-Rosen

Această imagine, cu toată atractivitatea ei, nu a devenit larg răspândită în fizica particulelor elementare, pentru care au existat multe motive. Nu este ușor să îi atribui „poduri” lui Einstein-Rosen proprietăți cuantice, care sunt indispensabile în microlume. Un astfel de „punte” nu se formează deloc când valori cunoscute sarcinile și masele particulelor (protoni sau electroni). Soluția „electrică” prezice în schimb o singularitate „golă”, adică un punct în care câmpul electric și curbura spațiului devin infinite. În astfel de puncte, conceptul de spațiu-timp, chiar și în cazul curburii, își pierde sensul, deoarece este imposibil să se rezolve ecuații care au un număr infinit de termeni.

Când nu funcționează OTO?

De la sine, GR afirmă cu siguranță exact când încetează să funcționeze. Pe gât, în cel mai îngust loc al „podului”, există o încălcare a netezimii conexiunii. Și trebuie spus că este destul de netrivial. Din poziția unui observator îndepărtat, timpul se oprește la acest gât. Ceea ce Rosen și Einstein credeau că este gâtul este acum definit ca orizontul de evenimente al unei găuri negre (încărcate sau neutre). Raze sau particule din diferite părți ale „podului” cad pe diferite „secțiuni” ale orizontului. Și între părțile sale din stânga și din dreapta, relativ vorbind, există o zonă non-statică. Pentru a trece zona, este imposibil să nu o depășești.

Incapacitatea de a trece printr-o gaură neagră

O navă spațială care se apropie de orizontul unei găuri negre relativ mari pare să înghețe pentru totdeauna. Din ce în ce mai rar, semnalele de la ea ajung... Dimpotrivă, orizontul conform ceasului navei este atins într-un timp finit. Când o navă (un fascicul de lumină sau o particulă) trece pe lângă ea, în curând se va întâlni cu o singularitate. Aici curbura devine infinită. În singularitate (încă în drum spre ea), corpul extins va fi inevitabil sfâșiat și zdrobit. Aceasta este realitatea găurii negre.

Cercetări ulterioare

În 1916-17. S-au obţinut soluţii Reisner-Nordström şi Schwarzschild. Ele descriu sferic găuri negre simetrice încărcate electric și neutre. Cu toate acestea, fizicienii au putut înțelege pe deplin geometria complexă a acestor spații abia la începutul anilor 1950 și 60. Atunci D. A. Wheeler, cunoscut pentru munca sa în teoria gravitației și fizicii nucleare, a propus termenii „găură de vierme” și „găură neagră”. S-a dovedit că în spațiile Reisner-Nordström și Schwarzschild există într-adevăr găuri de vierme în spațiu. Ele sunt complet invizibile pentru un observator îndepărtat, precum găurile negre. Și, ca și ei, găurile de vierme din spațiu sunt eterne. Dar dacă călătorul pătrunde dincolo de orizont, ele se prăbușesc atât de repede încât nici o rază de lumină, nici o particulă masivă, cu atât mai puțin o navă, nu poate zbura prin ele. Pentru a zbura într-o altă gură, ocolind singularitatea, trebuie să te miști mai rapid decat lumina. În prezent, fizicienii cred că vitezele supernovei ale energiei și materiei sunt fundamental imposibile.

Schwarzschild și Reisner-Nordstrom

Gaura neagră Schwarzschild poate fi considerată o gaură de vierme impenetrabilă. În ceea ce privește gaura neagră Reisner-Nordström, aceasta este ceva mai complicată, dar și impracticabilă. Cu toate acestea, nu este atât de greu să veniți cu și să descrieți găurile de vierme cu patru dimensiuni din spațiu care ar putea fi traversate. Trebuie doar să alegeți tipul de măsură de care aveți nevoie. Tensorul metric, sau metrica, este un set de valori care poate fi folosit pentru a calcula intervalele de patru dimensiuni care există între punctele evenimentului. Acest set de mărimi caracterizează pe deplin atât câmpul gravitațional, cât și geometria spațiu-timp. Găurile de vierme traversabile geometric din spațiu sunt chiar mai simple decât găurile negre. Nu au orizonturi care să ducă la cataclisme odată cu trecerea timpului. LA diverse puncte timpul poate merge într-un ritm diferit, dar nu ar trebui să se oprească sau să accelereze la nesfârșit.

Două direcții de cercetare a găurilor de vierme

Natura a pus o barieră în calea apariției găurilor de vierme. Cu toate acestea, o persoană este aranjată în așa fel încât, dacă există un obstacol, vor exista întotdeauna cei care vor să-l depășească. Și oamenii de știință nu fac excepție. Lucrările teoreticienilor care sunt implicați în studiul găurilor de vierme pot fi împărțite condiționat în două zone care se completează reciproc. Prima se referă la luarea în considerare a consecințelor acestora, presupunând în prealabil că găurile de vierme există. Reprezentanții celei de-a doua direcții încearcă să înțeleagă din ce și cum pot apărea, ce condiții sunt necesare pentru apariția lor. Sunt mai multe lucrări în această direcție decât în ​​prima și, poate, sunt mai interesante. Această zonă include căutarea modelelor de găuri de vierme, precum și studiul proprietăților acestora.

Realizările fizicienilor ruși

După cum s-a dovedit, proprietățile materiei, care este materialul pentru construcția găurilor de vierme, pot fi realizate datorită polarizării vidului câmpurilor cuantice. Fizicienii ruși Serghei Sușkov și Arkadi Popov, împreună cu cercetătorul spaniol David Hochberg și Serghei Krasnikov au ajuns recent la această concluzie. În acest caz, vidul nu este un gol. Aceasta este o stare cuantică caracterizată de cea mai scăzută energie, adică un câmp în care nu există particule reale. În acest domeniu apar constant perechi de particule „virtuale”, dispărând înainte de a fi detectate de dispozitive, dar lăsându-și amprenta sub forma unui tensor de energie, adică un impuls caracterizat prin proprietăți neobișnuite. În ciuda faptului că proprietățile cuantice ale materiei se manifestă în principal în microcosmos, găurile de vierme generate de acestea, în anumite condiții, pot atinge dimensiuni semnificative. Unul dintre articolele lui Krasnikov, de altfel, se numește „Amenințarea găurilor de vierme”.

O chestiune de filozofie

Dacă se construiesc sau se vor descoperi vreodată găuri de vierme, domeniul filosofiei preocupat de interpretarea științei se va confrunta cu noi provocări și, trebuie spus, cu multe dificile. Cu toată absurditatea aparentă a buclelor de timp și problemele grele ale cauzalității, această zonă a științei se va da seama cândva. Așa cum problemele mecanicii cuantice și ale Cosmosului creat, spațiul și timpul au fost tratate în timpul lor - toate aceste întrebări au interesat oameni de toate vârstele și, aparent, ne vor interesa mereu. Este aproape imposibil să le cunoști complet. Este puțin probabil ca explorarea spațiului să fie finalizată vreodată.

Cu toții suntem obișnuiți cu faptul că trecutul nu poate fi înapoiat, deși uneori ne dorim foarte mult. De mai bine de un secol, scriitorii de science fiction pictează tot felul de incidente care apar datorită capacității de a călători în timp și de a influența cursul istoriei. Mai mult, acest subiect s-a dovedit a fi atât de arzător încât la sfârșitul secolului trecut, chiar și fizicienii departe de basme au început serios să caute astfel de soluții la ecuațiile care descriu lumea noastră, care să permită crearea mașinilor timpului și depășirea oricărui spațiu și timp cât ai clipi.

LA romane fantastice descrie rețele întregi de transport care conectează sisteme stelare și epoci istorice. Am intrat într-o cabină stilizată, să zicem, ca o cabină telefonică și m-am trezit undeva în Nebuloasa Andromeda sau pe Pământ, dar vizitând tiranozauri de mult dispăruți. Personajele unor astfel de lucrări folosesc în mod constant transportul zero al mașinii timpului, portaluri și dispozitive convenabile similare. Cu toate acestea, fanii science-fiction percep astfel de călătorii fără prea multă trepidare - nu știi niciodată ce poate fi imaginat, referindu-se implementarea inventatului la un viitor incert sau la intuițiile unui geniu necunoscut. Mult mai surprinzător este faptul că mașinile timpului și tunelurile din spațiu sunt discutate destul de serios cât se poate de ipotetic în articolele de fizică teoretică, pe paginile celor mai reputate publicații științifice.

Răspunsul constă în faptul că, conform teoriei gravitației lui Einstein - teorie generală Relativitatea (GR), spațiul-timp cu patru dimensiuni în care trăim este curbat, iar gravitația, familiară tuturor, este o manifestare a unei astfel de curburi.

Materia „se îndoaie”, deformează spațiul din jurul ei și, cu cât este mai dens, cu atât curbura este mai puternică. Numeroase teorii alternative ale gravitației, al căror număr ajunge la sute, care diferă de relativitatea generală în detalii, păstrează principalul lucru - ideea curburii spațiu-timp. Și dacă spațiul este curbat, atunci de ce să nu luăm, de exemplu, forma unei țevi care leagă în scurt timp regiuni separate de sute de mii de ani lumină sau, să zicem, epoci departe unele de altele - la urma urmei, vorbim nu doar despre spațiu, dar despre spațiu-timp? Îți amintești cuvintele lui Strugatsky (care, apropo, au recurs și la zero-transport): „Nu văd deloc de ce nobilul nu ar trebui să ...” - ei bine, să spunem, nu zboară până în secolul XXXII?

Găuri de vierme sau găuri negre?

Gândurile despre o curbură atât de puternică a spațiului nostru-timp au apărut imediat după apariția relativității generale - deja în 1916, fizicianul austriac L. Flamm a discutat despre posibilitatea existenței geometriei spațiale sub forma unui fel de găuri care leagă două lumi. . În 1935, A. Einstein și matematicianul N. Rosen au atras atenția asupra faptului că cele mai simple soluții ale ecuațiilor GR descriu surse izolate, neutre sau încărcate electric. câmp gravitațional, au structura spațială a unui „pod” care leagă două universuri într-un mod aproape lin – două spațio-timpuri identice, aproape plate.

Astfel de structuri spațiale au fost numite mai târziu „găuri de vierme” (traducere destul de liberă cuvânt englezesc„găură de vierme” - „găură de vierme”). Einstein și Rosen au considerat chiar posibilitatea de a folosi astfel de „punți” pentru a descrie particulele elementare. Într-adevăr, particula în acest caz este o formațiune pur spațială, deci nu este nevoie să modelăm în mod specific sursa de masă sau de încărcare, iar cu dimensiunile microscopice ale găurii de vierme, un observator extern, la distanță, situat într-unul dintre spații vede doar o sursă punctiformă cu o anumită masă și sarcină. Liniile electrice de forță intră în gaură dintr-o parte și ies din cealaltă, fără să înceapă sau să se termine nicăieri. În cuvintele fizicianului american J. Wheeler, se dovedește „masă fără masă, încărcare fără sarcină”. Și în acest caz, nu este deloc necesar să credem că podul conectează două universuri diferite - nu este mai rău decât presupunerea că ambele „gurile” găurii de vierme se deschid în același univers, dar în puncte diferite și în momente diferite. - ceva de genul „mâner” gol, cusut la lumea familiară aproape plată. O gură în care intră liniile de forță poate fi văzută ca o sarcină negativă (de exemplu, un electron), cealaltă, din care ies, ca pozitivă (pozitron), masele vor fi aceleași pe ambele părți.

În ciuda atractivității unei astfel de imagini, ea (din multe motive) nu a prins rădăcini în fizica particulelor elementare. Este dificil să atribui proprietăți cuantice „punților” lui Einstein-Rosen și fără ele nu există nimic de făcut în microcosmos. Cu valori cunoscute ale maselor și sarcinilor particulelor (electroni sau protoni), puntea Einstein-Rosen nu se formează deloc, în schimb, soluția „electrică” prezice așa-numita singularitate „goală” - punctul în care curbura spațiului și câmpul electric devin infinite. Conceptul de spațiu-timp, chiar dacă este curbat, își pierde sensul în astfel de puncte, deoarece este imposibil să rezolvi ecuații cu termeni infiniti. Relativitatea generală în sine afirmă destul de clar unde anume încetează să funcționeze. Să ne amintim cuvintele spuse mai sus: „aproape fără probleme...”. Acest „aproape” se referă la defectul principal al „podurilor” lui Einstein - Rosen - o încălcare a netezirii în cea mai îngustă parte a „podului”, pe gât. Și această încălcare, trebuie spus, este foarte nebanală: pe un astfel de gât, din punctul de vedere al unui observator îndepărtat, timpul se oprește

În termeni moderni, ceea ce Einstein și Rosen au văzut ca gâtul (adică cel mai îngust punct al „podului”) nu este de fapt nimic altceva decât orizontul de evenimente al unei găuri negre (neutru sau încărcat). Mai mult decât atât, din diferite părți ale „podului”, particule sau raze cad pe diferite „secțiuni” ale orizontului, iar între, relativ vorbind, părțile din dreapta și din stânga ale orizontului, există o zonă specială non-statică, fără de care este imposibil să treci prin gaură.

Pentru un vizualizator de la distanță nava spatiala, apropiindu-se de orizontul unei găuri negre suficient de mari (față de navă), pare să înghețe pentru totdeauna, iar semnalele de la ea ajung din ce în ce mai puțin. Dimpotrivă, conform ceasului navei, orizontul este atins într-un timp finit. După ce a trecut orizontul, nava (o particulă sau o rază de lumină) se sprijină în curând inevitabil pe o singularitate - unde curbura devine infinită și unde (încă pe drum) orice corp extins va fi inevitabil zdrobit și sfâșiat. Aceasta este realitatea dură a structurii interne a unei găuri negre. Soluțiile Schwarzschild și Reisner-Nordström care descriu găurile negre simetrice sferice neutre și încărcate electric au fost obținute în 1916-1917, cu toate acestea, fizicienii au înțeles pe deplin geometria complexă a acestor spații abia la sfârșitul anilor 1950-1960. Apropo, atunci John Archibald Wheeler, cunoscut pentru munca sa în fizica nucleară și teoria gravitației, a propus termenii „găură neagră” și „găură de vierme”. După cum sa dovedit, există într-adevăr găuri de vierme în spațiile Schwarzschild și Reisner-Nordström. Din punctul de vedere al unui observator îndepărtat, ele nu sunt complet vizibile, ca și găurile negre în sine, și sunt la fel de eterne. Dar pentru un călător care a îndrăznit să pătrundă dincolo de orizont, gaura se prăbușește atât de repede încât nici o navă, nici o particulă masivă, nici măcar o rază de lumină nu va zbura prin ea. Pentru a ocoli singularitatea, pentru a străpunge „spre lumina lui Dumnezeu” - la cealaltă gură a găurii, este necesar să ne mișcăm mai repede decât lumina. Iar fizicienii de astăzi cred că vitezele superluminale de mișcare a materiei și energiei sunt imposibile în principiu.

Găuri de vierme și bucle de timp

Deci, gaura neagră Schwarzschild poate fi considerată o gaură de vierme impenetrabilă. Gaura neagră Reisner-Nordström este mai complicată, dar și impracticabilă. Cu toate acestea, nu este atât de dificil să veniți cu și să descrieți găuri de vierme cu patru dimensiuni traversabile prin selectarea tipului dorit de metrică (o metrică, sau tensor metric, este un set de mărimi care sunt folosite pentru a calcula distanțe-intervale în patru dimensiuni între puncte de eveniment, care caracterizează pe deplin geometria spațiului-timp și câmpul gravitațional). Găurile de vierme traversabile sunt, în general, geometric chiar mai simple decât găurile negre: nu ar trebui să existe orizonturi care să conducă la cataclisme odată cu trecerea timpului. Timpul în diferite puncte poate, desigur, să meargă într-un ritm diferit - dar nu ar trebui să accelereze sau să se oprească la infinit.

Trebuie să spun că diverse găuri negre și găuri de vierme sunt micro-obiecte foarte interesante care apar de la sine, ca fluctuații cuantice ale câmpului gravitațional (la lungimi de ordinul a 10-33 cm), unde, conform estimărilor existente, conceptul de spațiu-timp clasic, neted nu mai este aplicabil. Pe astfel de solzi, ar trebui să existe ceva asemănător cu apa sau spuma de săpun într-un flux turbulent, care „respiră” în mod constant datorită formării și prăbușirii bulelor mici. În loc de spațiu gol calm, avem mini-găuri negre și găuri de vierme din cele mai bizare și împletite configurații care apar și dispar într-un ritm frenetic. Dimensiunile lor sunt neînchipuit de mici - sunt de atâtea ori mai mici nucleul atomic cu cât este nucleul mai mic decât planeta Pământ. Nu există încă o descriere strictă a spumei spațiu-timp, deoarece o consecventă teoria cuantica gravitația, dar în termeni generali imaginea descrisă decurge din principiile de bază ale teoriei fizice și este puțin probabil să se schimbe.

Cu toate acestea, din punct de vedere al călătoriilor interstelare și intertemporale, sunt necesare găuri de vierme de dimensiuni complet diferite: „Mi-ar plăcea” ca o navă spațială de dimensiuni rezonabile sau cel puțin un tanc să treacă prin gât fără deteriorare (ar fi incomod printre tiranosauri). fără ea, nu?). Prin urmare, pentru început, este necesar să se obțină soluții la ecuațiile gravitației sub formă de găuri de vierme traversabile de dimensiuni macroscopice. Și dacă presupunem că o astfel de gaură a apărut deja, iar restul spațiu-timpului a rămas aproape plat, atunci considerăm că există totul - o gaură poate fi o mașină a timpului, un tunel intergalactic și chiar un accelerator. Indiferent de unde și când se află una dintre gurile unei găuri de vierme, a doua poate fi oriunde în spațiu și în orice moment - în trecut sau în viitor. În plus, gura se poate mișca cu orice viteză (în limitele luminii) în raport cu corpurile din jur - acest lucru nu va împiedica ieșirea din gaură în spațiul (practic) plat Minkowski. Se știe că este neobișnuit de simetric și arată la fel în toate punctele sale, în toate direcțiile și în orice cadre inerțiale, indiferent cât de repede se mișcă.

Dar, pe de altă parte, presupunând existența unei mașini a timpului, ne confruntăm imediat cu întregul „buchet” de paradoxuri de tip - a zburat în trecut și l-a „ucis pe bunicul cu o lopată” înainte ca bunicul să poată deveni tată. Bunul simț normal sugerează că acest lucru, cel mai probabil, pur și simplu nu poate fi. Și dacă o teorie fizică pretinde că descrie realitatea, trebuie să conțină un mecanism care să interzică formarea unor astfel de „bucle de timp”, sau cel puțin să le facă extrem de dificil de format.

GR, fără îndoială, pretinde că descrie realitatea. S-au găsit în ea multe soluții care descriu spații cu bucle de timp închise, dar de regulă, dintr-un motiv sau altul, acestea sunt recunoscute fie ca fiind nerealiste, fie, să spunem, „nepericuloase”.

Da foarte solutie interesanta Ecuațiile lui Einstein au fost subliniate de matematicianul austriac K. Godel: acesta este un univers staționar omogen, care se rotește în ansamblu. Conține traiectorii închise, de-a lungul cărora te poți întoarce nu numai la punctul de plecare în spațiu, ci și la punctul de plecare în timp. Cu toate acestea, calculul arată că durata minimă de timp a unei astfel de bucle este mult mai mare decât durata de viață a Universului.

Găurile de vierme traversabile, considerate „punți” între universuri diferite, sunt temporare (cum am spus) pentru a presupune că ambele guri se deschid în același univers, deoarece buclele apar imediat. Ce, atunci, din punctul de vedere al relativității generale, împiedică formarea lor, cel puțin la scară macroscopică și cosmică?

Răspunsul este simplu: structura ecuațiilor lui Einstein. Pe partea stângă se află cantități care caracterizează geometria spațiu-timp, iar în dreapta - așa-numitul tensor energie-impuls, care conține informații despre densitatea energetică a materiei și diferite câmpuri, despre presiunea lor în diferite direcții, despre distribuția lor în spațiu și despre starea de mișcare. Se pot „citi” ecuațiile lui Einstein de la dreapta la stânga, afirmând că ele sunt folosite de materie pentru a „spune” spațiului cum să se curbeze. Dar este și posibil - de la stânga la dreapta, atunci interpretarea va fi diferită: geometria dictează proprietățile materiei, care i-ar putea asigura existența, geometria.

Deci, dacă avem nevoie de geometria unei găuri de vierme, o substituim în ecuațiile lui Einstein, o analizăm și aflăm ce fel de materie este necesar. Se dovedește că este foarte ciudat și fără precedent, se numește „materie exotică”. Deci, pentru a crea cea mai simplă gaură de vierme (simetrică sferic), este necesar ca densitatea energiei și presiunea în direcția radială să se adună la o valoare negativă. Este necesar să spunem că pentru tipurile obișnuite de materie (precum și pentru multe câmpuri fizice cunoscute) ambele cantități sunt pozitive?...

Natura, după cum vedem, a pus într-adevăr o barieră serioasă în calea apariției găurilor de vierme. Dar așa funcționează o persoană, iar oamenii de știință nu fac excepție aici: dacă bariera există, vor exista întotdeauna cei care vor să o depășească.

Lucrarea teoreticienilor interesați de găurile de vierme poate fi împărțită condiționat în două direcții complementare. Primul, presupunând în prealabil existența găurilor de vierme, are în vedere consecințele care apar, al doilea încearcă să determine cum și din ce găuri de vierme pot fi construite, în ce condiții apar sau pot apărea.

În lucrările primei direcții, de exemplu, se discută o astfel de întrebare.

Să presupunem că avem la dispoziție o gaură de vierme, prin care poți trece în câteva secunde și să lăsăm cele două guri în formă de pâlnie „A” și „B” să fie amplasate aproape una de alta în spațiu. Este posibil să transformi o astfel de gaură într-o mașină a timpului? Fizicianul american Kip Thorne și colaboratorii săi au arătat cum să facă acest lucru: ideea este să lăsați una dintre guri, „A”, la loc, iar cealaltă, „B” (care ar trebui să se comporte ca un corp masiv obișnuit), să se dispersează la o viteză comparabilă cu viteza luminii, apoi se întoarce înapoi și frânează lângă „A”. Apoi, datorită efectului SRT (decelerare a timpului asupra unui corp în mișcare în comparație cu unul staționar), va trece mai puțin timp pentru gura „B” decât pentru gura „A”. Mai mult, cu cât viteza și durata deplasării gurii „B a fost mai mare”, cu atât diferența de timp dintre ele va fi mai mare. Acesta, de fapt, este același „paradox geamăn” binecunoscut oamenilor de știință: un geamăn care s-a întors dintr-un zbor către stele se dovedește a fi mai tânăr decât fratele său, cel de origine... Să fie diferența de timp dintre guri, pt. de exemplu, o jumătate de an. Apoi, stând lângă gura lui „A” în mijlocul iernii, vom vedea prin gaura de vierme o imagine vie a verii trecute și - într-adevăr această vară și revenirea, după ce a trecut prin gaura prin. Apoi ne vom apropia din nou de pâlnia „A” (așa cum am convenit, este undeva în apropiere), ne vom scufunda încă o dată în groapă și vom sări direct în zăpada de anul trecut. Și de atâtea ori. Deplasându-ne în direcția opusă - scufundări în pâlnia "B", - vom sări o jumătate de an în viitor ... Astfel, după ce am efectuat o singură manipulare cu una dintre guri, obținem o mașină a timpului care poate fi "folosită" în mod constant (presupunând, desigur, că stabil sau că suntem capabili să-l menținem „funcționează”).

Lucrările celei de-a doua direcții sunt mai numeroase și, poate, chiar mai interesante. Această direcție include căutarea unor modele specifice de găuri de vierme și studiul proprietăților lor specifice, care, în general, determină ce se poate face cu aceste găuri și cum să le folosească.

Exomateria și energia întunecată

Proprietățile exotice ale materiei, pe care trebuie să le posede materialul de construcție pentru găurile de vierme, după cum se dovedește, pot fi realizate datorită așa-numitei polarizări a vidului câmpurilor cuantice. La această concluzie au ajuns recent fizicienii ruși Arkadi Popov și Serghei Sușkov din Kazan (împreună cu David Hochberg din Spania) și Serghei Krasnikov de la Observatorul Pulkovo. Și în acest caz, vidul nu este deloc un vid, ci o stare cuantică cu cea mai mică energie - un câmp fără particule reale. În ea apar în mod constant perechi de particule „virtuale”, care din nou dispar mai devreme decât ar putea fi detectate de dispozitive, dar își lasă urma foarte reală sub forma unui tensor de energie-impuls cu proprietăți neobișnuite.

Și deși proprietățile cuantice ale materiei se manifestă mai ales în microcosmos, găurile de vierme generate de acestea (în anumite condiții) pot atinge dimensiuni foarte decente. Apropo, unul dintre articolele lui S. Krasnikov are un titlu „înfricoșător” - „Amenințarea găurilor de vierme”. Cel mai interesant lucru despre această discuție pur teoretică este că observațiile astronomice reale din ultimii ani par să submineze în mare măsură pozițiile oponenților însăși existenței găurilor de vierme.

Astrofizicienii, studiind statisticile exploziilor de supernove în galaxiile aflate la miliarde de ani lumină distanță de noi, au ajuns la concluzia că Universul nostru nu doar se extinde, ci se extinde cu o viteză din ce în ce mai mare, adică cu accelerație. Mai mult, în timp, această accelerație chiar crește. Acest lucru este indicat cu destulă încredere de ultimele observații făcute cu cele mai recente telescoape spațiale. Ei bine, acum este momentul să ne amintim legătura dintre materie și geometrie în relativitatea generală: natura expansiunii Universului este strâns legată de ecuația stării materiei, cu alte cuvinte, de relația dintre densitatea și presiunea acesteia. Dacă materia este obișnuită (cu densitate și presiune pozitive), atunci densitatea în sine scade în timp, iar expansiunea încetinește.

Dacă presiunea este negativă și egală ca mărime, dar cu semn opus densității de energie (atunci suma lor = 0), atunci această densitate este constantă în timp și spațiu - aceasta este așa-numita constantă cosmologică, care duce la expansiune cu constantă. accelerare.

Dar pentru ca accelerația să crească în timp, iar acest lucru nu este suficient - suma presiunii și a densității energetice trebuie să fie negativă. Nimeni nu a observat vreodată o astfel de materie, dar comportamentul părții vizibile a Universului pare să-i semnaleze prezența. Calculele arată că acest tip de materie ciudată, invizibilă (numită „energie întunecată”) în epoca actuală ar trebui să fie de aproximativ 70%, iar această proporție este în continuă creștere (spre deosebire de materia obișnuită, care își pierde din densitate odată cu creșterea volumului, energia întunecată se comportă paradoxal - Universul se extinde, iar densitatea lui este în creștere). Dar la urma urmei (și am vorbit deja despre acest lucru), tocmai o astfel de materie exotică este cel mai potrivit „material de construcție” pentru formarea găurilor de vierme.

Unul este atras să fantezi: mai devreme sau mai târziu, energia întunecată va fi descoperită, oamenii de știință și tehnologii vor învăța cum să o îngroașe și să construiască găuri de vierme și acolo - nu departe de „visul devenit realitate” - despre mașinile timpului și despre tunelurile care duc la stelele ... Adevărat, Evaluarea densității energiei întunecate din Univers, care asigură expansiunea sa accelerată, este oarecum amortizatoare: dacă energia întunecată este distribuită uniform, se obține o valoare complet neglijabilă - aproximativ 10-29 g/cm3 . Pentru o substanță obișnuită, această densitate corespunde la 10 atomi de hidrogen pe 1 m3. Chiar și gazul interstelar este de câteva ori mai dens. Deci, dacă această cale către crearea unei mașini a timpului poate deveni reală, atunci nu va fi foarte, foarte curând.

Am nevoie de o gaură pentru gogoși

Până acum, am vorbit despre găuri de vierme asemănătoare tunelului cu gât neted. Dar, la urma urmei, relativitatea generală prezice și un alt tip de găuri de vierme - și, în principiu, nu necesită deloc materie distribuită. Există toată clasa soluții ale ecuațiilor Einstein, în care spațiul-timp cu patru dimensiuni, plat departe de sursa câmpului, există, așa cum ar fi, în două copii (sau foi), și comun pentru ambele sunt doar o anumită subțire. inel (sursă de câmp) și un disc limitat de acest inel. Acest inel are o proprietate cu adevărat magică: poți „rătăci” în jurul lui atât timp cât vrei, rămânând în „propria ta” lume, dar odată ce vei trece prin el, te vei găsi într-o cu totul altă lume, deși asemănătoare cu "al tau". Și pentru a te întoarce, trebuie să treci din nou prin inel (și din orice parte, nu neapărat din cea pe care tocmai ai plecat).

Inelul în sine este singular - curbura spațiu-timp de pe el se transformă la infinit, dar toate punctele din interiorul său sunt destul de normale, iar corpul care se mișcă acolo nu experimentează niciun efect catastrofal.

Interesant este că există o mulțime de astfel de soluții - atât neutre, cât și incarcare electrica, atât cu rotație, cât și fără. Aceasta este, în special, celebra soluție a neozeelandezului R. Kerr pentru o gaură neagră rotativă. Descrie cel mai realist găurile negre ale scărilor stelare și galactice (de a căror existență majoritatea astrofizicienilor nu se mai îndoiesc), deoarece aproape toate corpuri cerești experimentați rotația, iar atunci când este comprimată, rotația doar accelerează, mai ales când se prăbușește într-o gaură neagră.

Deci, se dovedește că găurile negre rotative sunt candidați „directi” pentru „mașinile timpului”? Cu toate acestea, s-au format găuri negre sisteme stelare, înconjurat și umplut cu gaz fierbinte și radiații mortale dure. Pe lângă această obiecție pur practică, mai există și una fundamentală legată de dificultățile de a ieși de sub orizontul evenimentelor la o nouă „foaie” spațio-temporală. Dar nu merită să ne oprim asupra acestui lucru mai detaliat, deoarece, conform relativității generale și a multor generalizări ale acesteia, găurile de vierme cu inele singulare pot exista fără orizonturi.

Deci există cel puțin două posibilități teoretice pentru existența găurilor de vierme care se conectează lumi diferite: vizuini pot fi netede și constau din materie exotică, sau pot apărea din cauza unei singularități, rămânând în același timp transitabile.

Spațiu și șiruri

Inelele singulare subțiri seamănă cu alte obiecte neobișnuite prezise de fizica modernă - șiruri cosmice care s-au format (conform unor teorii) în Universul timpuriu când materia superdensă s-a răcit și stările ei s-au schimbat. Ele seamănă într-adevăr cu corzile, doar extraordinar de grele - multe miliarde de tone pe centimetru de lungime cu o grosime de o fracțiune de micron. Și, așa cum au arătat americanul Richard Gott și francezul Gerard Clement, mai multe șiruri care se mișcă unul față de celălalt la viteze mari pot fi folosite pentru a crea structuri care conțin bucle de timp. Adică, mișcându-vă într-un anumit fel în câmpul gravitațional al acestor corzi, vă puteți întoarce la punctul de plecare înainte de a zbura din el.

Astronomii caută de mult acest tip obiecte spațiale, iar astăzi există deja un candidat „bun” - obiectul CSL-1. Acestea sunt două galaxii surprinzător de similare, care în realitate sunt probabil una, doar bifurcate din cauza efectului lentilei gravitaționale. Mai mult, în acest caz, lentila gravitațională nu este sferică, ci cilindrică, asemănând cu un fir lung și subțire greu.

Va ajuta dimensiunea a cincea?

În cazul în care spațiul-timp conține mai mult de patru dimensiuni, arhitectura găurilor de vierme dobândește posibilități noi, necunoscute anterior. Da, în anul trecut conceptul de „lumea branelor” a câștigat popularitate. Se presupune că toată materia observabilă este situată pe o suprafață cu patru dimensiuni (notată prin termenul „brană” - un cuvânt trunchiat pentru „membrană”), iar în volumul înconjurător cinci sau șase dimensiuni nu există altceva decât un câmp gravitațional. Câmpul gravitațional de pe brană în sine (și acesta este singurul pe care îl observăm) se supune ecuațiilor Einstein modificate și au o contribuție din geometria volumului înconjurător. Deci, această contribuție este capabilă să joace rolul materiei exotice care generează găuri de vierme. Vizuinile pot fi de orice dimensiune și tot nu au propria gravitație.

Acest lucru, desigur, nu epuizează întreaga varietate de „construcții” de găuri de vierme, iar concluzia generală este că, pentru toată natura neobișnuită a proprietăților lor și pentru toate dificultățile unei naturi fundamentale, inclusiv filozofice, la care ei pot conduce, posibila lor existență merită tratată cu deplină seriozitate și atenția cuvenită. Nu se poate exclude, de exemplu, că dimensiuni mari există în spațiul interstelar sau intergalactic - fie și numai din cauza concentrării energiei foarte întunecate care accelerează expansiunea Universului. Nu există încă un răspuns fără echivoc la întrebări - cum pot căuta un observator pământesc și dacă există o modalitate de a le detecta - încă. Spre deosebire de găurile negre, găurile de vierme s-ar putea să nu aibă nici măcar un câmp de atracție vizibil (este posibilă și repulsia) și, prin urmare, nu ar trebui să ne așteptăm la concentrații vizibile de stele sau gaze interstelare și praf în vecinătatea lor. Dar presupunând că pot „scurta” regiuni sau epoci care sunt departe unele de altele, trecând radiația stelelor prin ele însele, este foarte posibil să ne așteptăm ca o galaxie îndepărtată să pară neobișnuit de apropiată. Datorită expansiunii Universului, cu cât galaxia este mai îndepărtată, cu atât mai mare este deplasarea spectrului (spre partea roșie) radiația sa ajunge la noi. Dar când te uiți printr-o gaură de vierme, este posibil să nu existe nicio deplasare spre roșu. Sau va fi, dar este diferit. Unele dintre aceste obiecte pot fi observate simultan în două moduri - prin gaură sau în modul „obișnuit”, „dincolo de gaură”.

Astfel, semnul unei găuri de vierme cosmice poate fi următorul: observarea a două obiecte cu proprietăți foarte asemănătoare, dar la distanțe aparente diferite și cu deplasări diferite spre roșu. Dacă totuși găurile de vierme sunt descoperite (sau construite), domeniul filozofiei care se ocupă de interpretarea științei se va confrunta cu sarcini noi și, trebuie să spun, foarte dificile. Și pentru toată absurditatea aparentă a buclelor de timp și complexitatea problemelor asociate cu cauzalitatea, această zonă a științei, după toate probabilitățile, mai devreme sau mai târziu va înțelege totul cumva. Așa cum pe vremea ei, ea „a făcut față” problemelor conceptuale ale mecanicii cuantice și ale teoriei relativității a lui Einstein.

Kirill Bronnikov, doctor în științe fizice și matematice

Definiția 1

Podul Einstein-Rosen este una dintre modificările soluției în vid ale ecuațiilor Einstein ale relativității generale.

În 1935, A. Einstein și N. Rosen au publicat articolul „Probleme ale particulelor în teoria generală a relativității”. În acest articol, oamenii de știință au încercat să prezinte model matematic particule ca o punte. Esența ipotezei propuse a fost că particula a fost prezentată sub forma unei „găuri”, și nu, ca de obicei pentru noi, sub forma unui punct.

În modelul propus de Einstein și Rosen, oamenii de știință au încercat:

• oferă o privire fundamental nouă asupra naturii particulelor elementare care alcătuiesc materia;
• este frumos din punct de vedere al matematicii să combinați teoriile gravitației și ale electromagnetismului (soluția propusă este potrivită pentru ecuațiile teoriei generale a relativității (ecuații gravitaționale) și pentru ecuațiile lui Maxwell (ecuații electromagnetice));

Esența geometrică a podului Einstein-Rosen este că există un tub scurt - un jumper care conectează două „foi” spațiale paralele.

Soluție Schwarzschild modificată

Când luăm în considerare soluția Schwarzschild în afara orizontului (pentru $\rho2M$), se poate înlocui o coordonată „radială” ($\rho$) cu alta - $u(\rho)$. În acest caz, scriem ecuația relației sub forma:

$\frac(1)(2) u^2=\rho-2M >0 (1).$

Transformarea coordonatei radiale se face în așa fel încât pe măsură ce $\rho$ crește de la $2M$ la infinit, coordonata $u$ fie crește de la zero la infinit, fie scade de la 0 la minus infinit.

În acest caz, metrica în coordonate noi ia forma:

$ds^2=\frac(u^2)(u^2+4M)dt^2-(u^2+4M)du^2-\frac(1)(4)(u^2+4M)^ 2(d\theta^2+sin^2\theta d\phi^2)(2).$

Deoarece metrica (2) a fost obținută prin transformarea coordonatelor din soluția Schwarzschild, va satisface și ecuațiile relativității generale, cel puțin pentru $u$ > $0$ și $u$

Metrica (1) este definită pe toată axa reală.

Două variante de rezolvare a ecuației Schwarzschild pentru $u$ > $0$ și $u$

Componentele metricii (2) sunt funcții netede; prin urmare, ecuațiile Einstein sunt satisfăcute pentru toți $u$.

Pentru $u=0$, metrica (2) este degenerată, prin urmare, ecuațiile Einstein vor necesita definiții suplimentare.

Metrica Einstein-Rosen este invariantă sub transformările $u \to -u$.

Autorii metricii (2), Einstein și Rosen au considerat că interpretarea fizică a metricii (2) este o particulă punctuală de masă $M$, care se află în repausul centrului sistemului de coordonate sferice $u=0$ , în timp ce spațiu-timp din jurul acestei particule este descris de două foi $u$ $0$ cu metrica (2). Trebuie luat în considerare faptul că aceste foi descriu un Univers.

Interpretarea modernă a semnificației fizice a podului Einstein-Rosen

Luați în considerare deplasarea particulelor de test în planul ecuatorial ($\theta=\frac(1)(2) \pi$) a suprafeței $u=0$. Particulele noastre se mișcă în spațiu cu trei dimensiuni cu metrica:

$ds^2=(1-\frac(2M)(\rho))dt^2-\frac(d \rho^2)(1-\frac(2M)(\rho))-\rho^2d\ phi^2 (3)$

în coordonatele Schwarzschild.

Pentru aceste particule de testare, spațiul este secțiunile $t=const$. Obținem o varietate bidimensională (suprafață) cu metrica:

$dl^2=\frac(d\rho^2)(1-\frac(2M)(\rho))+\rho^2d\phi^2 (4),$

unde $\rho$ și $\phi$ sunt coordonatele polare ale planului euclidian.

Pentru a reprezenta suprafața definită de metrica (4) aceasta este înglobată într-un spațiu euclidian tridimensional în care $\rho$, $\phi$ și $z$ sunt coordonate cilindrice. Dacă mișcarea de rotație este specificată utilizând funcția $z (\rho)$, atunci metrica indusă pe suprafața încorporată are forma:

$dl^2=(1+(\frac(dz)(d\rho))^2)d\rho^2+\rho^2d\phi^2 (5).$

Pentru a implementa coincidența metricilor (5) și (4), este necesar ca egalitatea să fie satisfăcută:

$(\frac(dz)(d\rho))^2=\frac(1)(\frac(\rho)(2M)-1)(6).$

Ecuația (6) poate fi valabilă numai pentru soluția Schwarzschild externă ($\rho$ > $2M$). Soluția generală poate fi scrisă astfel:

$z=\int(\frac(d\rho)(\sqrt(\frac(\rho)(2M)-1)))=4M\sqrt(\frac(\rho)(2M)-1)+const (7)$.

Constanta de integrare poate fi echivalată cu zero, deoarece este responsabilă pentru deplasarea coordonatei $z$.

Vedem că suprafața cu metrica (4) poate fi reprezentată în spațiul euclidian tridimensional dat de ecuația:

$\frac(\rho)(2M)=1+(\frac(z)(4M))^2 (8).$

Ecuația (8) ne spune că avem un paraboloid de revoluție (paraboloidul lui Flamm).

În această încorporare, partea superioară ($z$ > $0$) și inferioară ($z$

Aceste secțiuni sunt cusute lin de-a lungul gâtului $z=0$. Gâtul corespunde orizontului $\rho_s=2M$.

Paraboloidul lui Flamm este global izometric față de secțiunile transversale de-a lungul ecuatorului podului Einstein-Rosen.

Când se folosesc coordonatele $u$ și $\phi$, înglobările vor fi date de ecuațiile:

$z^2=4Mu^2$ sau $z=\pm \sqrt(4M)u (9).$

Ecuațiile (9) înseamnă că paraboloidul devine o pereche de conuri, iar gâtul podului este contractat până la un punct.

Interpretarea fizică a podului Einstein-Rosen, construcțiile efectuate mai sus, fac următoarele:

• Se obțin două Universuri corespunzătoare $z$ > $0$ și $z$
• Ambele Universuri sunt asimptotic plate dacă distanțele sunt mari ($\rho \to \infty$).
• În „centru” Universurile au o lipire ($\rho=2M$ $u=0$).

Structura descrisă mai sus se numește gaură de vierme, deoarece prin ea există o oportunitate ipotetică de a intra într-un alt Univers. Rețineți că podul Einstein-Rosen este o gaură de vierme impenetrabilă.

În prezent, se crede că existența găurilor de vierme nu a fost dovedită, deoarece acestea nu au fost descoperite.

O serie de oameni de știință notează că căutarea „găurilor de vierme” este una dintre cele mai interesante sarcini ale astronomiei.

Se presupune că găurile de vierme pot fi localizate în centrele galaxiilor.

Descrierea relativistă a găurilor negre apare în lucrarea lui Karl Schwarzschild. În 1916, la doar câteva luni după ce Einstein și-a scris celebrele ecuații, Schwarzschild a reușit să găsească o soluție exactă pentru ele și să calculeze câmpul gravitațional al unei stele staționare masive.

Soluția Schwarzschild a avut mai multe caracteristici interesante. În primul rând, există un „punct fără întoarcere” în jurul unei găuri negre. Orice obiect care se apropie de la o distanță mai mică decât această rază va fi inevitabil tras într-o gaură neagră și nu va putea scăpa. O persoană suficient de nefericită să se afle în raza Schwarzschild va fi capturată de gaura neagră și zdrobită până la moarte. În prezent, această distanță de la gaura neagră se numește raza Schwarzschild, sau orizontul evenimentelor(punctul vizibil cel mai îndepărtat).

În al doilea rând, oricine din raza Schwarzschild va descoperi un „univers oglindă” de „cealaltă parte” a spațiu-timpului (Figura 10.2). Einstein nu a fost deranjat de existența acestui univers bizar în oglindă, deoarece comunicarea cu acesta era imposibilă. Orice sonda spațială, trimis în centrul unei găuri negre, va întâlni o curbură infinită; cu alte cuvinte, câmpul gravitațional va fi infinit și orice obiect material va fi distrus. Electronii se vor desprinde de atomi și chiar și protonii și neutronii din nucleu vor fi destrămați. În plus, pentru a pătrunde în alt univers, sonda ar trebui să zboare mai repede decât viteza luminii, ceea ce este imposibil. Astfel, deși universul oglindă este necesar din punct de vedere matematic pentru înțelegerea soluției Schwarzschild, nu va fi niciodată posibil să o observăm fizic.

Orez. 10.2. Podul Einstein-Rosen conectează două universuri diferite. Einstein credea că orice rachetă care a aterizat pe acest pod va fi distrusă, ceea ce înseamnă că comunicarea între aceste două universuri este imposibilă. Dar calculele ulterioare au arătat că călătoria pe platformă, deși extrem de dificilă, este totuși posibilă.

Drept urmare, faimosul pod Einstein-Rosen care leagă cele două universuri (podul poartă numele lui Einstein și co-inventatorul său Nathan Rosen) este considerat o ciudatenie matematică. Acest pod este necesar pentru a obține o teorie consistentă din punct de vedere matematic a găurilor negre, dar este imposibil să pătrundem în universul oglindă prin podul Einstein-Rosen. Podurile Einstein-Rosen au apărut curând în alte soluții ale ecuațiilor gravitaționale, cum ar fi soluția Reisner-Nordström pentru o gaură neagră cu sarcină electrică... Cu toate acestea, podul Einstein-Rosen a rămas o aplicație curioasă, dar uitată, la teoria relativității .

Situația a început să se schimbe odată cu apariția lucrării matematicianului neozeelandez Roy Kerr, care în 1963 a găsit o altă soluție exactă a ecuațiilor lui Einstein. Kerr credea că orice stea care se prăbușește se rotește. Ca un patinator care se învârte a cărui viteză crește pe măsură ce își închide brațele, steaua se va învârti inevitabil mai repede pe măsură ce se prăbușește. Astfel, soluția staționară Schwarzschild pentru găurile negre nu a fost soluția cea mai relevantă din punct de vedere fizic pentru ecuațiile Einstein.

Soluția propusă de Kerr a devenit o senzație în materie de relativitate. Astrofizicianul Subramanyan Chandrasekhar a spus odată:

Cel mai uluitor eveniment din întregul meu viata stiintifica, adică pe parcursul a patruzeci și cinci de ani, sa realizat că soluția exactă a ecuațiilor teoriei generale a relativității a lui Einstein, descoperită de matematicianul neozeelandez Roy Kerr, oferă o reprezentare absolut exactă a nenumăratelor găuri negre masive care umple universul. Această „uimire înaintea frumosului”, aceasta fapt incredibil că descoperirea că căutarea frumuseții în matematică a condus la găsirea omologul său exact în natură mă convinge că frumusețea este ceea ce mintea umană răspunde la cel mai profund, cel mai semnificativ nivel.

Cu toate acestea, Kerr a descoperit că o stea masivă rotativă nu se micșorează într-un punct. În schimb, steaua rotativă este aplatizată până se transformă în cele din urmă într-un inel cu proprietăți remarcabile. Dacă lansați o sondă într-o gaură neagră din lateral, aceasta va lovi acest inel și va fi complet distrusă. Curbura spațiu-timp rămâne infinită dacă te apropii de inel din lateral. Ca să zic așa, centrul este încă înconjurat de „inelul morții”. Dar dacă lansați o sondă spațială în inel de sus sau de jos, aceasta va trebui să se ocupe de o curbură mare, dar finită; cu alte cuvinte, forța gravitațională nu va fi infinită.

Această concluzie extrem de neașteptată a soluției lui Kerr înseamnă că orice sondă spațială lansată într-o gaură neagră care se învârte de-a lungul axei sale de rotație ar putea, în principiu, să supraviețuiască impactului uriaș, dar finit al câmpurilor gravitaționale din centru și să ajungă până în universul oglindă. evitând moartea sub influența curburii infinite. Podul Einstein-Rosen acționează ca un tunel care leagă două regiuni ale spațiu-timpului; aceasta este „gaura de vierme” sau „gaura de cârtiță”. Astfel, gaura neagră Kerr este o poartă către alt univers.

Acum să ne imaginăm că racheta noastră a ajuns pe podul Einstein-Rosen. Pe măsură ce se apropie de gaura neagră care se învârte, vede o stea care se învârte în formă de inel. La început pare că o rachetă coboară spre o gaură neagră din lateral polul Nord așteptând o coliziune catastrofală. Dar pe măsură ce ne apropiem de inel, lumina din universul oglindă ajunge la senzorii noștri. Deoarece toate radiațiile electromagnetice, inclusiv de la radare, orbitează în jurul găurii negre, pe ecranele radarelor noastre apar semnale care trec în mod repetat în jurul găurii negre. Se creează un efect care seamănă cu o „sala de râs” în oglindă, unde suntem induși în eroare de numeroase reflecții din toate părțile. Lumina ricoșează în multe oglinzi, dând iluzia că camera este plină de replicile noastre.