6. Răzbunarea lui Einstein Supersimetria este soluția finală pentru unificarea completă a tuturor particulelor. Abdus Sadam Reînvierea teoriei Kaluza-Klein Această problemă a fost numită „cea mai mare problemă științifică a tuturor timpurilor”. În presă a fost numit Sfântul Graal al fizicii, dorința de a se uni

3. Construcția ecuațiilor lui Einstein Acum suntem capabili să construim ecuațiile gravitaționale în relativitatea generală. După cum am descris în capitolul 6, la începutul secolului al XX-lea s-a postulat că interacțiunea gravitațională este exprimată în curbura spațiu-timp. În același timp, spațiu-timp

4. Rezolvarea ecuațiilor lui Einstein Dar dacă există ecuații, atunci acestea trebuie rezolvate. Adică, sub restricțiile și condițiile fiecărei probleme sau model specifice, este necesar să se găsească coeficienți metrici în fiecare punct din spațiu-timp și, prin urmare, să se determine geometria acestuia.

Pentru publicarea lucrărilor cu ecuațiile de bază ale relativității generale (GR). Mai târziu a devenit clar că noua teorie a gravitației, care împlinește o sută de ani în 2015, prezice existența găurilor negre și a tunelurilor spațiu-timp. Lenta.ru vă va spune despre ele.

Ce este GTO

Relativitatea generală se bazează pe principiile echivalenței și covarianței generale. Primul (principiu slab) înseamnă proporționalitatea maselor inerțiale (asociate cu mișcarea) și gravitaționale (asociate cu gravitația) și permite (principiul puternic) într-o zonă limitată a spațiului să nu facă distincția între câmpul gravitațional și mișcarea accelerată. Un exemplu clasic este un lift. Cu mișcarea sa în sus uniform accelerată în raport cu Pământul, observatorul din el nu este capabil să determine dacă se află într-un câmp gravitațional mai puternic sau se mișcă într-un obiect creat de om.

Al doilea principiu (covarianța generală) presupune că ecuațiile relativității generale își păstrează forma în timpul transformărilor teoriei speciale a relativității, creată de Einstein și alți fizicieni până în 1905. Ideile de echivalență și covarianță au condus la necesitatea de a lua în considerare un singur spațiu-timp, care este curbat în prezența obiectelor masive. Aceasta distinge relativitatea generală de teoria clasică a gravitației a lui Newton, unde spațiul este întotdeauna plat.

Relativitatea generală în patru dimensiuni include șase ecuații diferențiale parțiale independente. Pentru a le rezolva (găsiți forma explicită a tensorului metric care descrie curbura spațiu-timpului), este necesar să se specifice condițiile de limită și de coordonate, precum și tensorul energie-impuls. Acesta din urmă descrie distribuția materiei în spațiu și, de regulă, este asociat cu ecuația de stare utilizată în teorie. În plus, ecuațiile relativității generale permit introducerea unei constante cosmologice (termen lambda), care este adesea asociată cu energia întunecată și, probabil, cu un câmp scalar corespunzător.

Găuri negre

În 1916, fizicianul matematician german Karl Schwarzschild a găsit prima soluție la ecuațiile relativității generale. Descrie câmpul gravitațional creat de o distribuție simetrică centrală a maselor cu sarcină electrică zero. Această soluție conținea așa-numita rază gravitațională a corpului, care determină dimensiunea unui obiect cu o distribuție simetrică sferică a materiei, pe care fotonii (cuantele câmpului electromagnetic care se mișcă cu viteza luminii) nu pot părăsi.

Sfera Schwarzschild definită în acest fel este identică cu conceptul de orizont de evenimente, iar obiectul masiv delimitat de acesta este identic cu o gaură neagră. Percepția unui corp care se apropie de el în cadrul relativității generale diferă în funcție de poziția observatorului. Pentru un observator asociat cu corpul, atingerea sferei Schwarzschild va avea loc într-un timp adecvat finit. Pentru un observator extern, apropierea unui corp de orizontul evenimentelor va dura o perioadă infinită de timp și va arăta ca căderea sa nelimitată pe o sferă Schwarzschild.

Fizicienii teoreticieni sovietici au contribuit și ei la teoria stelelor neutronice. În articolul său din 1932 „Despre teoria stelelor”, Lev Landau a prezis existența stelelor neutronice, iar în lucrarea sa „Despre sursele energiei stelare”, publicată în 1938 în revista Nature, el a sugerat existența stelelor cu neutron. miez.

Cum se transformă obiectele masive în găuri negre? Răspunsul conservator și cel mai recunoscut în prezent la această întrebare a fost dat în 1939 de către fizicienii teoreticieni Robert Oppenheimer (în 1943 a devenit directorul științific al Proiectului Manhattan, în cadrul căruia a fost creată prima bombă atomică din lume în Statele Unite) și studentul său absolvent. Hartland Snyder.

În anii 1930, astronomii au devenit interesați de întrebarea viitorului unei stele dacă combustibilul nuclear se epuiza. Pentru stelele mici precum Soarele, evoluția va duce la transformarea în pitice albe, în care forța de compresie gravitațională este echilibrată de repulsia electromagnetică a plasmei electron-nucleare. Pentru stelele mai grele, gravitația se dovedește a fi mai puternică decât electromagnetismul și apar stele neutronice. Miezul unor astfel de obiecte este format din lichid neutronic și este acoperit de un strat subțire de plasmă de electroni și nuclee grele.

Imagine: East News

Valoarea limită a masei unei pitice albe, care o împiedică să se transforme într-o stea neutronică, a fost estimată pentru prima dată în 1932 de astrofizicianul indian Subramanyan Chandrasekhar. Acest parametru este calculat din starea de echilibru a gazului electron degenerat și forțele gravitaționale. Valoarea modernă a limitei Chandrasekhar este estimată la 1,4 mase solare.

Limita superioară a masei unei stele neutronice la care aceasta nu se transformă într-o gaură neagră se numește limită Oppenheimer-Volkoff. Determinat din starea de echilibru între presiunea gazului neutron degenerat și forțele gravitaționale. În 1939, s-a obținut o valoare de 0,7 mase solare; estimările moderne variază de la 1,5 la 3,0.

Mole Hole

Din punct de vedere fizic, o gaură de vierme este un tunel care leagă două regiuni îndepărtate ale spațiu-timpului. Aceste zone pot fi în același univers sau pot conecta puncte diferite ale universurilor diferite (în cadrul conceptului de multivers). În funcție de posibilitatea de întoarcere prin gaură, acestea se împart în transitabile și impracticabile. Găurile impracticabile se închid rapid și împiedică viitorul călător să facă călătoria de întoarcere.

Din punct de vedere matematic, o gaură de vierme este un obiect ipotetic obținut ca soluție specială nesingulară (finită și având sens fizic) a ecuațiilor relativității generale. De obicei, găurile de vierme sunt descrise ca o suprafață bidimensională îndoită. Puteți ajunge dintr-o parte în alta fie în mod obișnuit, fie prin tunelul care le leagă. În cazul vizual al spațiului bidimensional, se poate observa că acest lucru permite reducerea semnificativă a distanței.

În două dimensiuni, gâturile unei găuri de vierme - găurile din care începe și se termină tunelul - au forma unui cerc. În trei dimensiuni, gâtul unei găuri de vierme arată ca o sferă. Astfel de obiecte sunt formate din două singularități în regiuni diferite ale spațiului-timp, care în hiperspațiu (spațiul de dimensiune superioară) sunt trase una spre alta pentru a forma o gaură. Deoarece o gaură este un tunel spațiu-timp, puteți călători prin ea nu numai în spațiu, ci și în timp.

Ludwig Flamm a fost primul care a oferit soluții la ecuațiile de relativitate generală de tip găuri de vierme în 1916. Lucrarea sa, care descria o gaură de vierme cu gât sferic fără materie gravitativă, nu a atras atenția oamenilor de știință. În 1935, Einstein și fizicianul teoretician american-israelian Nathan Rosen, nefamiliarizați cu lucrările lui Flamm, au găsit o soluție similară pentru ecuațiile relativității generale. Ei au fost conduși în această lucrare de dorința de a combina gravitația cu electromagnetismul și de a scăpa de singularitățile soluției Schwarzschild.

În 1962, fizicienii americani John Wheeler și Robert Fuller au arătat că gaura de vierme Flamm și podul Einstein-Rosen se prăbușesc rapid și, prin urmare, sunt impracticabile. Prima soluție la ecuațiile relativității generale cu o gaură de vierme traversabilă a fost propusă în 1986 de către fizicianul american Kip Thorne. Gaura lui de vierme este umplută cu materie cu o densitate medie de masă negativă, împiedicând închiderea tunelului. Particulele elementare cu astfel de proprietăți sunt încă necunoscute științei. Probabil ar putea face parte din materia întunecată.

Gravitația azi

Soluția lui Schwarzschild este cea mai simplă pentru găurile negre. Acum au fost descrise găurile negre care se rotesc și sunt încărcate. O teorie matematică consistentă a găurilor negre și a singularităților asociate a fost dezvoltată în lucrările matematicianului și fizicianului britanic Roger Penrose. În 1965, a publicat o lucrare în revista Physical Review Letters intitulată „Gravitational Collapse and Spacetime Singularities”.

Descrie formarea așa-numitei suprafețe capcană, care duce la evoluția unei stele într-o gaură neagră și apariția unei singularități - o caracteristică a spațiului-timp în care ecuațiile relativității generale dau soluții care sunt incorecte dintr-un punct fizic. de vedere. Descoperirile lui Penrose sunt considerate primul rezultat major riguros din punct de vedere matematic al relativității generale.

Curând după aceea, omul de știință, împreună cu britanicul Stephen Hawking, au arătat că în trecutul îndepărtat Universul se afla într-o stare cu o densitate de masă infinită. Singularitățile care apar în relativitatea generală și descrise în lucrările lui Penrose și Hawking nu pot fi explicate în fizica modernă. În special, acest lucru duce la imposibilitatea de a descrie natura înainte de Big Bang fără a implica ipoteze și teorii suplimentare, de exemplu, mecanica cuantică și teoria corzilor. Dezvoltarea teoriei găurilor de vierme este în prezent imposibilă și fără mecanica cuantică.

Deși Einstein credea că găurile negre sunt un fenomen prea incredibil pentru a 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 sapă în pământ, ele creează o cale mai scurtă, alternativă, între două puncte. Aceste portaluri sunt uneori numite și portaluri sau „porți” către alte dimensiuni. Indiferent cum le-ați numi, ele pot deveni într-o zi un mijloc de călătorie între diferite dimensiuni, dar acesta este un caz extrem.

Prima persoană 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. Din moment ce Dodgson era matematician și preda la Oxford, era conștient de aceste spații multiconectate. Prin definiție, un spațiu multiconectat este de așa natură încât un lazo 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 cu un laso înfășurat în jurul ei, 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 strâns la circumferința gogoșii comprimate, adică la circumferința „găurii”.

Matematicienii s-au bucurat de faptul că au descoperit 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. Ei au încercat să folosească soluția la problema găurii negre ca model pentru particulele elementare. Lui Einstein însuși nu i-a plăcut niciodată teoria, care datează din vremea lui Newton, că 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 gândi electronul (care era de obicei considerat ca un punct minuscul fără structură) ca o gaură neagră. Astfel, a fost posibil să se folosească relativitatea generală pentru a explica misterele lumii cuantice în teoria câmpului unificat. Au început cu o soluție pentru o gaură neagră standard, care seamănă cu o vază mare cu un gât lung. Apoi au tăiat gâtul și l-au conectat la o altă soluție parțială a ecuațiilor găurii negre, adică o vază care a fost întoarsă cu susul în jos. Potrivit lui Einstein, această configurație bizară, dar echilibrată, ar fi liberă de singularitatea originii 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 mișca liber în jurul Universului până când cădem accidental într-o gaură neagră, unde suntem imediat atrași printr-un portal și ieșim 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 plauzibil din punct de vedere fizic, trebuia să fie legată de un obiect plauzibil din punct de vedere fizic. Dar nu era îngrijorat de 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 sfâșia 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 l-ar putea traversa suficient de repede pentru a ajunge de cealaltă parte.) Potrivit lui Einstein, deși portalurile erau posibile, un lucru viu nu ar putea trece niciodată. prin oricare dintre ele și vorbește despre experiențele tale din această călătorie.

Podul Einstein-Rosen. În centrul unei găuri negre există 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 avea consecințe fatale, găurile negre care se rotesc au o singularitate în formă de inel care ar permite trecerea prin inel și prin podul Einstein-Rosen, deși aceasta este încă în stadiul speculativ.

Cu toții suntem obișnuiți cu faptul că nu putem întoarce trecutul, deși uneori ne dorim foarte mult. De mai bine de un secol, scriitorii de science-fiction au descris diverse tipuri 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 presant încât, la sfârșitul secolului trecut, chiar și fizicienii departe de basme au început să caute serios soluții la ecuațiile care descriu lumea noastră care să facă posibilă crearea mașinilor timpului și depășirea oricărui spațiu. și timpul cât ai clipi.

Romanele științifico-fantastice descriu rețele întregi de transport care conectează sistemele stelare și epocile istorice. A pășit într-o cabină stilizată, să zicem, ca o cabină telefonică și s-a trezit undeva în nebuloasa Andromeda sau pe Pământ, dar vizitând tiranozaurii de mult dispăruți. Personajele din astfel de lucrări folosesc în mod constant transportul nul al mașinii timpului, portaluri și dispozitive convenabile similare. Cu toate acestea, fanii SF percep astfel de călătorii fără prea multă trepidare - nu știi niciodată ce îți poți imagina, atribuind implementarea unei idei unui viitor incert sau intuițiilor unui geniu necunoscut. Ceea ce este mult mai surprinzător este că mașinile timpului și tunelurile din spațiu sunt discutate destul de serios, pe cât posibil din punct de vedere ipotetic, în mod activ în articolele de fizică teoretică, pe paginile celor mai reputate publicații științifice.

Răspunsul constă în faptul că, conform teoriei gravitației și teoriei generale a relativității (GTR) a lui Einstein, spațiul-timp cu patru dimensiuni în care trăim este curbat, iar gravitația familiară este o manifestare a unei astfel de curburi.

Materia „se îndoaie”, îndoaie spațiul din jurul său și, cu cât este mai dens, cu atât curbura este mai puternică. Numeroase teorii alternative ale gravitației, numărate în sute, diferă de GTR în detalii, dar păstrează principalul lucru - ideea de curbură spațiu-timp. Și dacă spațiul este curbat, atunci de ce nu ar trebui să ia, de exemplu, forma unei țevi care leagă pe scurt regiuni separate de sute de mii de ani lumină, sau, să zicem, epoci îndepărtate unele de altele? La urma urmei, suntem vorbind nu doar despre spațiu, ci despre spațiu-timp? Amintiți-vă, de la Strugatskys (care, apropo, au recurs și la zero-transport): „Nu văd deloc de ce nobilul nu...” Ei bine, să spunem, zboară în secolul 32?

Găuri de vierme sau găuri negre?

Gândurile despre o curbură atât de puternică a spațiu-timpului nostru 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 relativității generale, care descriu surse izolate, neutre sau încărcate electric ale câmpului gravitațional, au structura spațială a unei „poduri”, conectând aproape lin două universuri două identice, aproape plate, spațiu-timp.

Acest tip de structuri spațiale au primit mai târziu numele de „găuri de vierme” (o traducere destul de liberă a cuvântului englezesc „găuri de vierme”). Einstein și Rosen au considerat chiar posibilitatea de a folosi astfel de „punți” pentru a descrie particulele elementare. De fapt, particula în acest caz este o formațiune pur spațială, deci nu este nevoie să modelăm în mod special 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 punctuală 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, rezultatul este „masă fără masă, sarcină fără sarcină”. Și în acest caz, nu este deloc necesar să presupunem că puntea conectează două universuri diferite; nu mai rău este presupunerea că ambele „guri” ale găurii de vierme ies în același univers, dar în puncte și momente diferite; ceva ca un „mâner” gol cusut la lumea familiară, aproape plată. O gură, în care intră liniile de câmp, poate fi văzută ca o sarcină negativă (de exemplu, un electron), cealaltă, din care ies, ca sarcină 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 „podurilor” lui Einstein și Rosen și fără ele nu există nimic de făcut în microlume. Pentru valorile 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 a 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: „conectarea într-un mod aproape lin”. Acest „aproape” se referă la defectul principal al „podurilor” Einstein Rosen - încălcarea netezirii în cel mai îngust loc al „podului”, la gât. Și această încălcare, trebuie spus, este foarte nebanală: la un astfel de gât, din punctul de vedere al unui observator de la distanță, timpul se oprește

Conform conceptelor moderne, ceea ce Einstein și Rosen considerau a fi 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 „puntei” 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 nestatică, fără a o traversa. este imposibil să treci prin gaură.

Pentru un observator de la distanță, o navă spațială care se apropie de orizontul unei găuri negre suficient de mari (comparativ cu nava) pare să înghețe pentru totdeauna, iar semnalele de la ea sosesc din ce în ce mai rar. Dimpotrivă, conform ceasului navei, orizontul este atins într-un timp finit. După ce a depășit orizontul, nava (particulă sau rază de lumină) se lovește în curând inevitabil de 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 funcționării interioare a unei găuri negre. Soluțiile lui Schwarzschild și Reisner Nordström, care descriu găuri negre simetrice sferice neutre și încărcate electric, au fost obținute în 1916–1917, dar fizicienii au înțeles pe deplin geometria complexă a acestor spații abia la începutul 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 găurile negre în sine, și sunt la fel de eterne. Dar pentru un călător care îndrăznește 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 poate zbura prin ea. Pentru a ocoli singularitatea și a străpunge „la lumina lui Dumnezeu” - la cealaltă gură a găurii, este necesar să te miști mai repede decât lumina. Iar fizicienii de astăzi cred că vitezele superluminale ale mișcării materiei și energiei sunt imposibile în principiu.

Găuri de vierme și bucle de timp

Deci, o gaură neagră Schwarzschild poate fi considerată o gaură de vierme impenetrabilă. Gaura neagră a lui ReisnerNordström este mai complexă, dar și impenetrabilă. Cu toate acestea, nu este atât de dificil să inventezi și să descrii găuri de vierme cu patru dimensiuni traversabile prin selectarea tipului dorit de metrică (metrica, sau tensorul metric, este un set de mărimi cu ajutorul cărora distanțe-intervale în patru dimensiuni între evenimente-punct. sunt calculate, care caracterizează pe deplin geometria spațiului-timp și câmpul gravitațional). Găurile de vierme care trec, în general, sunt 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 se miște cu ritmuri diferite, dar nu ar trebui să accelereze sau să se oprească la nesfârșit.

Trebuie spus că diverse găuri negre și găuri de vierme sunt micro-obiecte foarte interesante care apar de la sine, precum fluctuațiile 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. La o astfel de scară, 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 inimaginabil de mici - sunt de același număr de ori mai mici decât nucleul atomic, deoarece acest nucleu este mai mic decât planeta Pământ. Nu există încă o descriere strictă a spumei spațiu-timp, deoarece încă nu a fost creată o teorie cuantică consistentă a gravitației, 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 (fără el, ar fi fi incomod printre tiranozauri, nu-i așa?). Prin urmare, mai întâi trebuie să obținem soluții la ecuațiile gravitaționale 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 rămâne aproape plat, atunci luați în considerare că totul este acolo - gaura 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 apărea oriunde în spațiu și în orice moment - în trecut sau în viitor. În plus, gura se poate mișca cu orice viteză (în limita vitezei luminii) în raport cu corpurile din jur; acest lucru nu va împiedica ieșirea din gaură în spațiul (aproape) plat Minkowski. Se știe că este neobișnuit de simetric și arată la fel în toate punctele sale, în toate direcțiile și în orice sistem inerțial, indiferent de ce viteză se mișcă.

Dar, pe de altă parte, după ce ne-am asumat existența unei mașini a timpului, ne confruntăm imediat cu un întreg „buchet” de paradoxuri, cum ar fi zburat în trecut și „l-a ucis pe bunicul cu o lopată” înainte ca bunicul să poată deveni tată. Bunul simț normal dictează că acest lucru, cel mai probabil, pur și simplu nu se poate întâmpla. 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 facă formarea lor extrem de dificilă.

GTR, fără îndoială, pretinde că descrie realitatea. A găsit multe soluții care descriu spații cu bucle de timp închise, dar acestea, de regulă, dintr-un motiv sau altul sunt considerate fie nerealiste, fie, ca să spunem așa, „inofensive”.

Astfel, o soluție foarte interesantă a ecuațiilor lui Einstein a fost indicată de matematicianul austriac K. Gödel: acesta este un univers staționar omogen, care se rotește în ansamblu. Conține traiectorii închise, călătorind 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, calculele arată că durata minimă de timp a unei astfel de bucle este mult mai mare decât existența Universului.

Găurile de vierme trecătoare, considerate „punți” între universuri diferite, sunt temporare (cum am spus deja) 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 partea dreaptă se află 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, spunând că, cu ajutorul lor, materia „spune” spațiului cum să se îndoaie. Dar este posibil și de la stânga la dreapta, atunci interpretarea va fi diferită: geometria dictează proprietățile materiei care i-ar putea oferi, geometria, existența.

Deci, dacă avem nevoie de geometria unei găuri de vierme, să o substituim în ecuațiile lui Einstein, să o analizăm și să aflăm ce fel de materie este necesar. Se dovedește că este foarte ciudat și fără precedent; se numește „materie exotică”. Astfel, 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. Trebuie să spun 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 sunt proiectați oamenii, iar oamenii de știință nu fac excepție: dacă o barieră există, vor exista întotdeauna cei care vor să o depășească

Lucrarea teoreticienilor interesați de găurile de vierme poate fi împărțită în două direcții complementare. Prima, presupunând existența găurilor de vierme, are în vedere consecințele rezultate, a doua 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 să trecem în câteva secunde și să lăsăm cele două guri în formă de pâlnie „A” și „B” să fie situate aproape una de alta în spațiu. Este posibil să transformi o astfel de gaură într-o mașină a timpului? Fizicianul american Kip Thorne și colegii săi au arătat cum să facă acest lucru: ideea este să lăsați una dintre guri, „A”, pe loc, iar cealaltă, „B” (care ar trebui să se comporte ca un corp masiv obișnuit), să accelereze viteza comparabilă cu viteza luminii, apoi reveniți înapoi și încetiniți lângă „A”. Apoi, datorită efectului STR (încetinirea timpului pe un corp în mișcare în comparație cu un corp staționar), va trece mai puțin timp pentru gura „B” decât pentru gura „A”. Mai mult, cu cât viteza și durata deplasării gurii lui „B sunt mai mari”, cu atât diferența de timp dintre ele este mai mare. Acesta este, de fapt, același „paradox geamăn”, binecunoscut oamenilor de știință: un geamăn care se întoarce dintr-un zbor către stele se dovedește a fi mai mic decât fratele său de acasă Să fie diferența de timp dintre guri, de exemplu, șase luni. Apoi, stând lângă gura lui „A” în mijlocul iernii, vom vedea prin gaura de vierme o imagine strălucitoare a verii trecute și, în realitate, vara aceasta ne vom întoarce, trecând chiar prin gaură. Apoi ne vom apropia din nou de pâlnia „A” (așa cum am convenit, este undeva în apropiere), ne vom scufunda din nou în gaură și vom sări direct în zăpada de anul trecut. Și așa mai departe de câte ori doriți. Mișcându-ne în direcția opusă scufundându-ne în pâlnia „B”, să sărim șase luni în viitor. Astfel, după ce am făcut o singură manipulare cu una dintre guri, obținem o mașină a timpului care poate fi „folosită” în mod constant (dacă, desigur, presupunem că gaura este stabilă sau că suntem capabili să-i menținem „funcționalitatea”).

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 aibă materialul de construcție pentru găurile de vierme, după cum se dovedește, pot fi realizate prin așa-numita polarizare în vid a 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 gol, 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 dispar din nou înainte de a putea fi detectate de instrumente, 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 pe care le generează (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 în această discuție pur teoretică este că observațiile astronomice reale din ultimii ani par să submineze foarte mult poziția oponenților posibilității însăși a existenței găurilor de vierme.

Astrofizicienii, care studiază 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 împrăștie cu o viteză din ce în ce mai mare, adică cu accelerație. Mai mult, în timp această accelerație chiar crește. Acest lucru este dovedit destul de încrezător de ultimele observații efectuate pe 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 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 accelerație constantă.

Dar pentru ca accelerația să crească în timp, 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 o astfel 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 este se extinde, iar densitatea acesteia este în creștere). Dar (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.

Este tentant să fantezi: mai devreme sau mai târziu va fi descoperită energia întunecată, oamenii de știință și tehnologii vor învăța să o condenseze și să construiască găuri de vierme, iar apoi nu va dura mult până când „visele devin realitate” despre mașinile timpului și tunelurile care duc spre stele. .. Adevărat, Estimarea densității energiei întunecate în Univers, care asigură expansiunea sa accelerată, este oarecum descurajatoare: dacă energia întunecată este distribuită uniform, rezultatul este o valoare complet nesemnificativă, 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 spre crearea unei mașini a timpului poate deveni reală, nu va fi foarte, foarte curând.

Am nevoie de o gaură pentru gogoși

Până acum am vorbit despre găuri de vierme în formă de tunel cu gât neted. Dar GTR prezice și un alt tip de gaură de vierme și, în principiu, nu necesită deloc materie distribuită. Există o întreagă clasă de soluții la ecuațiile lui Einstein, în care spațiu-timp cu patru dimensiuni, plat departe de sursa câmpului, există ca în două copii (sau foi), iar singurele lucruri comune pentru ambele sunt un anumit inel subțire (sursă de câmp) și un disc, acest inel limitat. Acest inel are o proprietate cu adevărat magică: poți „rătăci” în jurul lui atât timp cât vrei, rămânând în lumea „voastra”, dar dacă treci prin el, te vei găsi într-o lume complet diferită, deși asemănătoare cu „ a ta." Și pentru a te întoarce înapoi, trebuie să treci din nou prin inel (și din orice parte, nu neapărat din cea din care tocmai ai plecat).

Inelul în sine este singular: curbura spațiu-timpului de pe el merge la infinit, dar toate punctele din interiorul lui sunt complet normale, iar corpul care se mișcă acolo nu experimentează niciun efect catastrofal.

Este interesant că există foarte multe astfel de soluții, atât neutre, cât și cu sarcină electrică, și cu rotație și fără ea. Aceasta, în special, este celebra soluție a neozeelandezului R. Kerr pentru o gaură neagră rotativă. Descrie cel mai realist găurile negre de scări stelare și galactice (de a căror existență majoritatea astrofizicienilor nu se mai îndoiesc), deoarece aproape toate corpurile cerești experimentează rotație, iar atunci când sunt comprimate, rotația doar accelerează, mai ales când se prăbușește într-o gaură neagră.

Deci, se dovedește că este vorba despre găuri negre rotative care sunt candidați „directi” pentru „mașinile timpului”? Cu toate acestea, găurile negre care se formează în sistemele stelare sunt înconjurate și umplute cu gaz fierbinte și radiații dure și mortale. Pe lângă această obiecție pur practică, există și una fundamentală legată de dificultățile de a trece de sub orizontul evenimentelor pe o nouă „coală” spațiu-timp. Dar nu merită să insistăm mai detaliat asupra acestui lucru, deoarece conform relativității generale și a multor generalizări ale acesteia, găurile de vierme cu inele singulare pot exista fără orizonturi.

Așadar, există cel puțin două posibilități teoretice pentru existența unor găuri de vierme care conectează lumi diferite: găurile de vierme ar putea fi netede și compuse din materie exotică sau ar putea apărea din cauza unei singularități rămânând în același timp traversabile.

Spațiu și șiruri

Inelele subțiri singulare amintesc de alte obiecte neobișnuite prezise de fizica modernă, șirurile cosmice care s-au format (conform unor teorii) în Universul timpuriu când materia supradensă s-a răcit și și-a schimbat stările. Ele seamănă cu adevărat cu coarde, doar neobișnuit 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, din mai multe șiruri care se mișcă unul față de celălalt la viteze mari, este posibil să se creeze structuri care conțin bucle temporare. Adică, deplasându-te într-un anumit fel în câmpul gravitațional al acestor corzi, te poți întoarce la punctul de plecare înainte de a-l părăsi.

Astronomii caută acest tip de obiecte spațiale de mult timp, 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?

Dacă spațiu-timpul conține mai mult de patru dimensiuni, arhitectura găurilor de vierme dobândește noi posibilități, necunoscute anterior. Astfel, în ultimii ani conceptul de „lume brane” a câștigat popularitate. Se presupune că toată materia observabilă este situată pe o suprafață cu patru dimensiuni (notată prin termenul „brană”, un cuvânt prescurtat „membrană”), iar în volumul înconjurător cinci sau șase dimensiuni nu există nimic în afară de câmpul gravitațional. Câmpul gravitațional de pe brană în sine (și acesta este singurul pe care îl observăm) se supune ecuațiilor Einstein modificate și conțin o contribuție din geometria volumului înconjurător. Deci, această contribuție poate juca rolul materiei exotice care generează găuri de vierme. Vizuinile pot fi de orice dimensiune și, în același timp, nu au propria gravitație.

Acest lucru, desigur, nu epuizează toată varietatea de „proiecte” de găuri de vierme, iar concluzia generală este că, în ciuda tuturor neobișnuitului proprietăților lor și în ciuda tuturor dificultăților naturii fundamentale, inclusiv filozofice, la care pot duce, posibila lor existență merită să fie tratată cu deplină seriozitate și cu atenția cuvenită. De exemplu, nu se poate exclude existența unor vizuini mari în spațiul interstelar sau intergalactic, fie și doar din cauza concentrării aceleiași energii întunecate care accelerează expansiunea Universului. Nu există un răspuns clar la întrebările despre cum ar putea arăta pentru un observator pământesc și dacă există o modalitate de a le detecta. Spre deosebire de găurile negre, găurile de vierme s-ar putea să nu aibă nici măcar un câmp atractiv 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 „scurtcircuita” regiuni sau epoci departe una de cealaltă, trecând prin ei înșiși radiația luminilor, 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 roșu) radiația sa ajunge la noi. Dar când te uiți printr-o gaură de vierme, este posibil să nu existe o deplasare spre roșu. Sau va fi, dar altceva. Unele astfel de obiecte pot fi observate simultan în două moduri - prin gaură sau în modul „obișnuit”, „dincolo de gaură”.

Astfel, un semn al unei găuri de vierme cosmice ar putea fi următorul: observarea a două obiecte cu proprietăți foarte asemănătoare, dar la distanțe aparente diferite și la diferite deplasări 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 spus, foarte dificile. Și pentru toată absurditatea aparentă a buclelor de timp și complexitatea problemelor asociate cu cauzalitatea, acest domeniu al științei, după toate probabilitățile, va rezolva cumva totul mai devreme sau mai târziu. Așa cum am „facut” cândva problemelor conceptuale ale mecanicii cuantice și teoria relativității a lui Einstein

Kirill Bronnikov, doctor în științe fizice și matematice