6. Einsteinova pomsta Supersymetria je konečným riešením pre úplné zjednotenie všetkých častíc. Abdus Sadam Oživenie Kaluzovej-Kleinovej teórie Tento problém bol nazvaný „najväčším vedeckým problémom všetkých čias“. V tlači sa tomu hovorilo svätý grál fyziky, túžba zjednotiť sa

3. Konštrukcia Einsteinových rovníc Teraz sme schopní zostrojiť gravitačné rovnice vo všeobecnej teórii relativity. Ako sme opísali v 6. kapitole, na začiatku 20. storočia sa predpokladalo, že gravitačná interakcia je vyjadrená v zakrivení časopriestoru. Zároveň časopriestor

4. Riešenie Einsteinových rovníc Ale ak existujú rovnice, potom ich treba vyriešiť. To znamená, že pri obmedzeniach a podmienkach každého špecifického problému alebo modelu je potrebné nájsť metrické koeficienty v každom bode časopriestoru a tým určiť jeho geometrický

Za publikovanie práce so základnými rovnicami všeobecnej relativity (GR). Neskôr sa ukázalo, že nová teória gravitácie, ktorá má v roku 2015 sto rokov, predpovedá existenciu čiernych dier a časopriestorových tunelov. Lenta.ru vám o nich povie.

Čo je GTO

Všeobecná relativita je založená na princípoch ekvivalencie a všeobecnej kovariancie. Prvý (slabý princíp) znamená proporcionalitu zotrvačných (spojených s pohybom) a gravitačných (spojených s gravitáciou) hmôt a umožňuje (silný princíp) v obmedzenej oblasti priestoru nerozlišovať medzi gravitačným poľom a zrýchleným pohybom. Klasickým príkladom je výťah. Pri jeho rovnomerne zrýchlenom pohybe smerom nahor voči Zemi pozorovateľ v ňom nedokáže určiť, či sa nachádza v silnejšom gravitačnom poli alebo sa pohybuje v objekte vytvorenom človekom.

Druhý princíp (všeobecná kovariancia) predpokladá, že všeobecné rovnice relativity si zachovávajú svoj tvar počas transformácií špeciálnej teórie relativity, ktorú vytvoril Einstein a ďalší fyzici do roku 1905. Myšlienky ekvivalencie a kovariancie viedli k potrebe uvažovať o jedinom časopriestore, ktorý je zakrivený v prítomnosti masívnych objektov. To odlišuje všeobecnú teóriu relativity od klasickej Newtonovej teórie gravitácie, kde je priestor vždy plochý.

Všeobecná relativita v štyroch dimenziách zahŕňa šesť nezávislých parciálnych diferenciálnych rovníc. Na ich vyriešenie (nájsť explicitnú podobu metrického tenzora popisujúceho zakrivenie časopriestoru) je potrebné špecifikovať okrajové a súradnicové podmienky, ako aj tenzor energie-hybnosti. Ten popisuje rozloženie hmoty v priestore a spravidla je spojený so stavovou rovnicou používanou v teórii. Okrem toho všeobecné rovnice relativity umožňujú zavedenie kozmologickej konštanty (lambda termín), ktorá je často spojená s temnou energiou a pravdepodobne zodpovedajúcim skalárnym poľom.

Čierne diery

V roku 1916 nemecký matematický fyzik Karl Schwarzschild našiel prvé riešenie všeobecných rovníc relativity. Popisuje gravitačné pole vytvorené centrálne symetrickým rozložením hmôt s nulovým elektrickým nábojom. Toto riešenie obsahovalo takzvaný gravitačný polomer telesa, ktorý určuje veľkosť objektu so sféricky symetrickým rozložením hmoty, ktorý fotóny (kvantá elektromagnetického poľa pohybujúce sa rýchlosťou svetla) nedokážu opustiť.

Takto definovaná Schwarzschildova guľa je identická s konceptom horizontu udalostí a hmotný objekt ňou ohraničený je totožný s čiernou dierou. Vnímanie telesa približujúceho sa k nemu v rámci všeobecnej relativity sa líši v závislosti od polohy pozorovateľa. Pre pozorovateľa spojeného s telom dôjde k dosiahnutiu Schwarzschildovej gule v konečnom správnom čase. Pre vonkajšieho pozorovateľa bude priblíženie telesa k horizontu udalostí trvať nekonečne dlho a bude vyzerať ako jeho neobmedzený pád do Schwarzschildovej gule.

K teórii neutrónových hviezd prispeli aj sovietski teoretickí fyzici. Lev Landau vo svojom článku „O teórii hviezd“ z roku 1932 predpovedal existenciu neutrónových hviezd a vo svojej práci „O zdrojoch hviezdnej energie“, publikovanej v roku 1938 v časopise Nature, navrhol existenciu hviezd s neutrónom. jadro.

Ako sa masívne objekty menia na čierne diery? Konzervatívnu a v súčasnosti najuznávanejšiu odpoveď na túto otázku dali v roku 1939 teoretickí fyzici Robert Oppenheimer (v roku 1943 sa stal vedeckým riaditeľom projektu Manhattan, v rámci ktorého bola v USA vytvorená prvá atómová bomba na svete) a jeho postgraduálny študent Hartland Snyder.

V 30. rokoch 20. storočia sa astronómovia začali zaujímať o otázku budúcnosti hviezdy, ak jej dôjde jadrové palivo. Pre malé hviezdy ako Slnko povedie evolúcia k premene na bielych trpaslíkov, v ktorých je sila gravitačnej kompresie vyvážená elektromagnetickým odpudzovaním elektrón-nukleárnej plazmy. U ťažších hviezd sa gravitácia ukáže byť silnejšia ako elektromagnetizmus a vznikajú neutrónové hviezdy. Jadro takýchto objektov je vyrobené z neutrónovej kvapaliny a je pokryté tenkou plazmovou vrstvou elektrónov a ťažkých jadier.

Obrázok: East News

Hraničnú hodnotu hmotnosti bieleho trpaslíka, ktorá mu bráni premeniť sa na neutrónovú hviezdu, prvýkrát odhadol v roku 1932 indický astrofyzik Subramanyan Chandrasekhar. Tento parameter je vypočítaný z podmienok rovnováhy degenerovaného elektrónového plynu a gravitačných síl. Moderná hodnota Chandrasekharovho limitu sa odhaduje na 1,4 hmotnosti Slnka.

Horná hranica hmotnosti neutrónovej hviezdy, pri ktorej sa nepremení na čiernu dieru, sa nazýva Oppenheimer-Volkoffov limit. Určené z podmienky rovnováhy medzi tlakom degenerovaného neutrónového plynu a gravitačnými silami. V roku 1939 bola získaná hodnota 0,7 hmotnosti Slnka, moderné odhady sa pohybujú od 1,5 do 3,0.

Krtková diera

Fyzicky je červia diera tunel spájajúci dve vzdialené oblasti časopriestoru. Tieto oblasti môžu byť v rovnakom vesmíre alebo môžu spájať rôzne body rôznych vesmírov (v rámci konceptu multivesmíru). Podľa možnosti návratu cez otvor sa delia na priechodné a nepriechodné. Nepriechodné diery sa rýchlo uzavrú a zabránia prípadnému cestovateľovi v návrate.

Z matematického hľadiska je červia diera hypotetický objekt získaný ako špeciálne nesingulárne (konečné a s fyzikálnym významom) riešenie všeobecných rovníc relativity. Typicky sú červie diery zobrazené ako ohnutý dvojrozmerný povrch. Z jednej strany na druhú sa dostanete buď bežným spôsobom, alebo tunelom, ktorý ich spája. Vo vizuálnom prípade dvojrozmerného priestoru je možné vidieť, že to umožňuje výrazne znížiť vzdialenosť.

V dvoch rozmeroch sú hrdlá červej diery - otvory, z ktorých tunel začína a končí - v tvare kruhu. V troch rozmeroch vyzerá krk červej diery ako guľa. Takéto objekty sú tvorené z dvoch singularít v rôznych časopriestorových oblastiach, ktoré sú v hyperpriestore (priestor vyššej dimenzie) priťahované k sebe a vytvárajú dieru. Keďže diera je časopriestorový tunel, môžete ňou cestovať nielen v priestore, ale aj v čase.

Ludwig Flamm bol prvým, kto v roku 1916 poskytol riešenia všeobecných rovníc relativity typu červej diery. Jeho práca, ktorá popisovala červiu dieru s guľovitým hrdlom bez gravitujúcej hmoty, pozornosť vedcov nevzbudila. V roku 1935 Einstein a americko-izraelský teoretický fyzik Nathan Rosen, ktorí Flammovu prácu nepoznali, našli podobné riešenie rovníc všeobecnej relativity. V tejto práci ich poháňala túžba spojiť gravitáciu s elektromagnetizmom a zbaviť sa singularít Schwarzschildovho riešenia.

V roku 1962 americkí fyzici John Wheeler a Robert Fuller ukázali, že červia diera Flamm a most Einstein-Rosen sa rýchlo zrútia, a preto sú nepriechodné. Prvé riešenie všeobecných rovníc relativity s priechodnou červou dierou navrhol v roku 1986 americký fyzik Kip Thorne. Jeho červia diera je vyplnená hmotou so zápornou priemernou hustotou hmoty, ktorá bráni uzavretiu tunela. Elementárne častice s takýmito vlastnosťami sú pre vedu stále neznáme. Pravdepodobne by mohli byť súčasťou temnej hmoty.

Dnešná gravitácia

Schwarzschildovo riešenie je pre čierne diery najjednoduchšie. Teraz boli opísané rotujúce a nabité čierne diery. Konzistentná matematická teória čiernych dier a súvisiacich singularít bola vyvinutá v prácach britského matematika a fyzika Rogera Penrosa. V roku 1965 publikoval článok v časopise Physical Review Letters s názvom „Gravitational Collapse and Spacetime Singularities“.

Opisuje vznik takzvaného povrchu pasce, ktorý vedie k vývoju hviezdy na čiernu dieru a vzniku singularity – črty časopriestoru, kde všeobecné rovnice relativity dávajú riešenia, ktoré sú z fyzikálneho hľadiska nesprávne. z pohľadu. Penroseove zistenia sa považujú za prvý veľký matematicky rigorózny výsledok všeobecnej teórie relativity.

Čoskoro potom vedec spolu s Britom Stephenom Hawkingom ukázali, že v dávnej minulosti bol vesmír v stave s nekonečnou hustotou hmoty. Singularity, ktoré vznikajú vo všeobecnej teórii relativity a sú opísané v prácach Penrosea a Hawkinga, nemožno v modernej fyzike vysvetliť. To vedie najmä k nemožnosti opísať prírodu pred Veľkým treskom bez použitia ďalších hypotéz a teórií, napríklad kvantovej mechaniky a teórie strún. Rozvoj teórie červích dier je v súčasnosti tiež nemožný bez kvantovej mechaniky.

Hoci Einstein veril, že čierne diery sú príliš neuveriteľným javom na to, aby existovali v prírode, neskôr, ironicky, ukázal, že sú ešte bizarnejšie, než si ktokoľvek dokázal predstaviť. Einstein vysvetlil možnosť existencie časopriestorových „portálov“ v hlbinách čiernych dier. Fyzici nazývajú tieto portály červími dierami, pretože ako červ, ktorý sa zarýva do zeme, vytvárajú kratšiu alternatívnu cestu medzi dvoma bodmi. Tieto portály sa tiež niekedy nazývajú portály alebo „brány“ do iných dimenzií. Nech ich nazvete akokoľvek, jedného dňa sa môžu stať prostriedkom na cestovanie medzi rôznymi dimenziami, ale toto je extrémny prípad.

Prvým človekom, ktorý spopularizoval myšlienku portálov, bol Charles Dodgson, ktorý písal pod pseudonymom Lewis Carroll. Vo filme Alice Through the Looking Glass si predstavil portál v podobe zrkadla, ktoré spájalo predmestia Oxfordu a Krajiny zázrakov. Keďže Dodgson bol matematik a učil na Oxforde, vedel o týchto mnohonásobne prepojených priestoroch. Podľa definície je viacnásobne spojený priestor taký, že laso v ňom nemôže byť kontrahované na veľkosť bodu. Obyčajne sa dá ľubovoľná slučka dotiahnuť do bodu bez akýchkoľvek ťažkostí. Ale ak vezmeme do úvahy napríklad donut s lasom omotaným okolo, uvidíme, že laso tento donut utiahne. Keď začneme slučku pomaly uťahovať, uvidíme, že sa nedá stlačiť na veľkosť bodu; v najlepšom prípade sa dá utiahnuť na obvod stlačenej šišky, teda na obvod „diery“.

Matematici sa vyžívali v tom, že objavili objekt, ktorý bol na opis priestoru úplne zbytočný. Ale v roku 1935 Einstein a jeho študent Nathan Rosen predstavili teóriu portálov do fyzického sveta. Pokúsili sa použiť riešenie problému čiernej diery ako model pre elementárne častice. Sám Einstein nikdy nemal rád teóriu pochádzajúcu z Newtonových čias, že gravitácia častice má tendenciu k nekonečnu, keď sa k nej približuje. Einstein veril, že táto singularita by mala byť vykorenená, pretože to nedáva zmysel.

Einstein a Rosen mali pôvodnú myšlienku uvažovať o elektróne (ktorý bol zvyčajne považovaný za malú bodku bez štruktúry) ako čiernu dieru. Tak bolo možné použiť všeobecnú teóriu relativity na vysvetlenie záhad kvantového sveta v jednotnej teórii poľa. Začali s riešením štandardnej čiernej diery, ktorá pripomína veľkú vázu s dlhým hrdlom. Potom odrezali hrdlo a pripojili ho k ďalšiemu čiastočnému riešeniu rovníc čiernej diery, teda k váze, ktorá bola otočená hore dnom. Podľa Einsteina by táto bizarná, ale vyvážená konfigurácia bola bez singularity v pôvode čiernej diery a mohla by pôsobiť ako elektrón.

Bohužiaľ, Einsteinova myšlienka reprezentovať elektrón ako čiernu dieru zlyhala. Dnes však kozmológovia naznačujú, že most Einstein-Rosen by mohol slúžiť ako „brána“ medzi týmito dvoma vesmírmi. Môžeme sa voľne pohybovať po vesmíre, až kým náhodou nespadneme do čiernej diery, kde nás okamžite vtiahne portál a vynoríme sa na druhej strane (po prechode „bielou“ dierou).

Pre Einsteina každé riešenie jeho rovníc, ak začalo z fyzikálne hodnoverného východiskového bodu, muselo súvisieť s fyzikálne prijateľným objektom. Nebál sa však toho, kto spadne do čiernej diery a skončí v paralelnom vesmíre. Slapové sily by sa v strede nekonečne zvýšili a gravitačné pole by okamžite roztrhalo atómy akéhokoľvek objektu, ktorý mal tú smolu, že spadol do čiernej diery. (Einsteinov-Rosenov most sa otvára v zlomku sekundy, ale zatvára sa tak rýchlo, že ho žiadny predmet nedokázal prejsť tak rýchlo, aby sa dostal na druhú stranu.) Podľa Einsteina, hoci boli portály možné, živá bytosť by nikdy nemohla ísť. prostredníctvom ktoréhokoľvek z nich a porozprávajte sa o svojich zážitkoch počas tejto cesty.

Most Einstein-Rosen. V strede čiernej diery je „krk“, ktorý sa spája s časopriestorom iného vesmíru alebo iného bodu v našom vesmíre. Zatiaľ čo cestovanie cez stacionárnu čiernu dieru by malo fatálne následky, rotujúce čierne diery majú prstencovú singularitu, ktorá by umožnila prechod cez prstenec a Einstein-Rosenov most, aj keď je to stále v štádiu špekulácií.

Všetci sme zvyknutí na to, že minulosť nemôžeme vrátiť, hoci niekedy veľmi chceme. Už viac ako storočie spisovatelia sci-fi zobrazujú rôzne druhy incidentov, ktoré vznikajú vďaka schopnosti cestovať v čase a ovplyvňovať chod dejín. Navyše sa táto téma ukázala ako taká naliehavá, že na konci minulého storočia začali aj fyzici ďaleko od rozprávok seriózne hľadať riešenia rovníc opisujúcich náš svet, ktoré by umožnili vytvárať stroje času a prekonať akýkoľvek priestor. a čas mihnutím oka.

Sci-fi romány opisujú celé dopravné siete spájajúce hviezdne systémy a historické éry. Vkročil do búdky štylizovanej povedzme ako telefónna búdka a ocitol sa niekde v hmlovine Andromeda alebo na Zemi, no na návšteve u dávno vyhynutých tyranosaurov. Postavy v takýchto dielach neustále využívajú nulovú dopravu strojom času, portály a podobné pohodlné zariadenia. Fanúšikovia sci-fi však takéto cesty vnímajú bez veľkého strachu – nikdy neviete, čo si človek dokáže predstaviť, pripisovať realizáciu nápadu neistej budúcnosti alebo postrehom neznámeho génia. Oveľa prekvapivejšie je, že o strojoch času a tuneloch vo vesmíre sa celkom vážne, ako je to hypoteticky možné, aktívne diskutuje v článkoch o teoretickej fyzike na stránkach najuznávanejších vedeckých publikácií.

Odpoveď spočíva v tom, že podľa Einsteinovej teórie gravitácie a všeobecnej teórie relativity (GTR) je štvorrozmerný časopriestor, v ktorom žijeme, zakrivený a prejavom takéhoto zakrivenia je známa gravitácia.

Hmota sa „ohýba“, ohýba priestor okolo seba a čím je hustejšia, tým je zakrivenie silnejšie. Početné alternatívne teórie gravitácie, ktoré sa počítajú v stovkách, sa od GTR líšia v detailoch, ale zachovávajú to hlavné - myšlienku zakrivenia časopriestoru. A ak je priestor zakrivený, tak prečo by nemal mať napríklad tvar potrubia, ktoré nakrátko spája oblasti vzdialené státisíce svetelných rokov, alebo, povedzme, éry, ktoré sú od seba vzdialené hovoriť nielen o priestore, ale aj o časopriestore? Pamätajte si od Strugackých (ktorí sa, mimochodom, tiež uchýlili k nulovej doprave): „Vôbec nevidím, prečo ušľachtilý don ne...“ no, povedzme, letieť do 32. storočia?…

Červí diery alebo čierne diery?

Úvahy o takomto silnom zakrivení nášho časopriestoru vznikli hneď po objavení sa Všeobecnej relativity už v roku 1916 rakúsky fyzik L. Flamm diskutoval o možnosti existencie priestorovej geometrie v podobe akejsi diery spájajúcej dva svety; . V roku 1935 A. Einstein a matematik N. Rosen upozornili na skutočnosť, že najjednoduchšie riešenia všeobecných rovníc relativity, ktoré opisujú izolované, neutrálne alebo elektricky nabité zdroje gravitačného poľa, majú priestorovú štruktúru „most“. takmer hladko spájajúce dva vesmíry dva rovnaké, takmer ploché, časopriestorové.

Tento druh priestorových štruktúr neskôr dostal názov „červí diery“ (celkom voľný preklad anglického slova „červí diera“). Einstein a Rosen dokonca uvažovali o možnosti použitia takýchto „mostov“ na opis elementárnych častíc. V skutočnosti je častica v tomto prípade čisto priestorový útvar, takže nie je potrebné špeciálne modelovať zdroj hmoty či náboja a pri mikroskopických rozmeroch červej diery vonkajší, vzdialený pozorovateľ umiestnený v jednom z priestorov vidí iba bodový zdroj s určitou hmotnosťou a nábojom. Elektrické siločiary vstupujú do otvoru z jednej strany a vychádzajú z druhej bez toho, aby niekde začínali alebo končili. Slovami amerického fyzika J. Wheelera, výsledkom je „hmotnosť bez hmoty, náboj bez náboja“. A v tomto prípade nie je vôbec potrebné veriť, že most spája dva rôzne vesmíry, o nič horší je predpoklad, že obe „ústa“ červej diery vychádzajú do toho istého vesmíru, ale v rôznych bodoch a v rôznych časoch; niečo ako dutá „rúčka“ prišitá k známemu, takmer plochému svetu. Jedno ústie, do ktorého siločiary vstupujú, môžeme vidieť ako záporný náboj (napríklad elektrón), druhé, z ktorého vychádzajú, ako kladný náboj (pozitrón), hmotnosti budú na oboch stranách rovnaké. .

Napriek atraktivite takéhoto obrázku sa (z mnohých dôvodov) vo fyzike elementárnych častíc neudomácnil. Je ťažké pripísať kvantové vlastnosti Einsteinovým a Rosenovým „mostom“ a bez nich sa v mikrosvete nedá nič robiť. Pre známe hodnoty hmotností a nábojov častíc (elektrónov alebo protónov) sa Einstein Rosenov most namiesto toho vôbec nevytvorí, „elektrické“ riešenie predpovedá takzvanú „nahú“ singularitu, bod, v ktorom je zakrivenie; priestoru a elektrické pole sa stávajú nekonečnými. Pojem časopriestoru, aj keď je zakrivený, v takýchto bodoch stráca svoj význam, pretože nie je možné riešiť rovnice s nekonečnými členmi. Všeobecná relativita sama o sebe celkom jasne hovorí, kde presne prestáva fungovať. Pamätajme na slová uvedené vyššie: „pripojenie takmer hladkým spôsobom“. Toto „takmer“ odkazuje na hlavnú chybu „mostov“ Einsteina Rosena - narušenie hladkosti v najužšom mieste „mostu“ na krku. A toto porušenie, treba povedať, je veľmi netriviálne: na takom krku sa z pohľadu vzdialeného pozorovateľa čas zastaví.…

Podľa moderných konceptov to, čo Einstein a Rosen považovali za krk (teda najužší bod „mostu“), nie je v skutočnosti nič iné ako horizont udalostí čiernej diery (neutrálnej alebo nabitej). Okrem toho z rôznych strán „mostu“ dopadajú častice alebo lúče na rôzne „úseky“ horizontu a medzi, relatívne povedané, pravou a ľavou časťou horizontu je špeciálna nestatická oblasť, bez ktorej by sa prekročila. nie je možné prejsť cez otvor.

Pre vzdialeného pozorovateľa sa zdá, že vesmírna loď, ktorá sa blíži k horizontu dostatočne veľkej (v porovnaní s loďou) čiernej diery navždy zamrzne a signály z nej prichádzajú čoraz menej často. Naopak, podľa lodných hodín je horizont dosiahnutý v konečnom čase. Po prekročení horizontu sa loď (častica alebo lúč svetla) čoskoro nevyhnutne dostane do singularity - kde sa zakrivenie stane nekonečným a kde (stále na ceste) bude akékoľvek predĺžené telo nevyhnutne rozdrvené a roztrhané. Toto je krutá realita vnútorného fungovania čiernej diery. Riešenia Schwarzschilda a Reisnera Nordströma, popisujúce sféricky symetrické neutrálne a elektricky nabité čierne diery, boli získané v rokoch 1916 – 1917, ale fyzici úplne pochopili zložitú geometriu týchto priestorov až na prelome 50. – 60. rokov 20. storočia. Mimochodom, práve vtedy John Archibald Wheeler, známy svojou prácou v jadrovej fyzike a teórii gravitácie, navrhol pojmy „čierna diera“ a „červí diera“. Ako sa ukázalo, v priestoroch Schwarzschild a Reisner Nordström skutočne existujú červie diery. Z pohľadu vzdialeného pozorovateľa nie sú úplne viditeľné, ako samotné čierne diery a sú rovnako večné. Ale pre cestovateľa, ktorý sa odváži preniknúť za horizont, sa diera zrúti tak rýchlo, že cez ňu nemôže preletieť ani loď, ani masívna častica, dokonca ani lúč svetla. Aby sme obišli singularitu a prerazili sa „na svetlo Božie“ - do druhého ústia diery, je potrebné pohybovať sa rýchlejšie ako svetlo. A fyzici dnes veria, že nadsvetelné rýchlosti pohybu hmoty a energie sú v princípe nemožné.

Červí diery a časové slučky

Schwarzschildova čierna diera sa teda dá považovať za nepreniknuteľnú červiu dieru. ReisnerNordströmova čierna diera je zložitejšia, ale aj nepreniknuteľná. Nie je však také ťažké vynájsť a opísať priechodné štvorrozmerné červie diery výberom požadovaného typu metriky (metrika, alebo metrický tenzor, je súbor veličín, pomocou ktorých štvorrozmerné vzdialenosti-intervaly medzi bodovými udalosťami sú vypočítané, čo plne charakterizuje geometriu časopriestoru a gravitačné pole). Prechodné červie diery sú vo všeobecnosti geometricky ešte jednoduchšie ako čierne diery: nemali by existovať žiadne horizonty vedúce ku kataklizmám v priebehu času. Čas v rôznych bodoch sa, samozrejme, môže pohybovať rôznymi rýchlosťami, ale nemal by sa donekonečna zrýchľovať alebo zastavovať.

Treba povedať, že rôzne čierne diery a červie diery sú veľmi zaujímavé mikroobjekty, ktoré vznikajú samé od seba, ako kvantové fluktuácie gravitačného poľa (v dĺžkach rádovo 10-33 cm), kde podľa existujúcich odhadov koncept klasického, hladkého časopriestoru už nie je použiteľný. V takom rozsahu by v turbulentnom prúde malo byť niečo podobné vode alebo mydlovej pene, ktorá by neustále „dýchala“ v dôsledku tvorby a kolapsu malých bublín. Namiesto pokojného prázdneho priestoru tu máme mini-čierne diery a červie diery tých najbizarnejších a najprepletenejších konfigurácií, ktoré sa objavujú a miznú zbesilým tempom. Ich veľkosti sú nepredstaviteľne malé – sú toľkokrát menšie ako jadro atómu, ako je toto jadro menšie ako planéta Zem. Zatiaľ neexistuje presný popis časopriestorovej peny, keďže ešte nebola vytvorená konzistentná kvantová teória gravitácie, ale vo všeobecnosti opísaný obrázok vyplýva zo základných princípov fyzikálnej teórie a je nepravdepodobné, že by sa zmenil.

Z hľadiska medzihviezdneho a medzičasového cestovania sú však potrebné červie diery úplne iných rozmerov: „Chcel by som“, aby cez krk bez poškodenia prešla aj primerane veľká vesmírna loď alebo aspoň tank (bez toho by byť nepríjemný medzi tyranosaurami, však?). Preto najprv musíme získať riešenia gravitačných rovníc vo forme priechodných červích dier makroskopických rozmerov. A ak predpokladáme, že takáto diera sa už objavila a zvyšok časopriestoru zostáva takmer plochý, potom uvážte, že tam je všetko – diera môže byť strojom času, intergalaktickým tunelom a dokonca aj urýchľovačom. Bez ohľadu na to, kde a kedy sa nachádza jedno z úst červej diery, druhé sa môže objaviť kdekoľvek vo vesmíre a kedykoľvek - v minulosti alebo v budúcnosti. Okrem toho sa ústa môžu pohybovať ľubovoľnou rýchlosťou (v rámci rýchlosti svetla) voči okolitým telesám, to nezabráni výstupu z otvoru do (takmer) plochého Minkowského priestoru. Je známe, že je nezvyčajne symetrický a vyzerá rovnako vo všetkých svojich bodoch, vo všetkých smeroch a v akýchkoľvek inerciálnych sústavách, bez ohľadu na to, akými rýchlosťami sa pohybujú.

Ale na druhej strane, keď sme predpokladali existenciu stroja času, okamžite čelíme celej „kytici“ paradoxov ako odletel do minulosti a „zabil dedka lopatou“, kým sa dedko mohol stať otcom. Normálny zdravý rozum velí, že to sa s najväčšou pravdepodobnosťou jednoducho nemôže stať. A ak fyzikálna teória tvrdí, že opisuje realitu, musí obsahovať mechanizmus, ktorý zakazuje vytváranie takýchto „časových slučiek“, alebo prinajmenšom sťažuje ich vytváranie.

GTR bezpochyby tvrdí, že opisuje realitu. Našlo mnoho riešení, ktoré opisujú priestory s uzavretými časovými slučkami, ale spravidla sa z toho či onoho dôvodu považujú buď za nereálne, alebo, takpovediac, za „neškodné“.

Veľmi zaujímavé riešenie Einsteinových rovníc teda naznačil rakúsky matematik K. Gödel: ide o homogénny stacionárny vesmír, rotujúci ako celok. Obsahuje uzavreté trajektórie, po ktorých sa môžete vrátiť nielen do východiskového bodu vo vesmíre, ale aj do východiskového bodu v čase. Výpočty však ukazujú, že minimálny časový rozsah takejto slučky je oveľa väčší ako existencia vesmíru.

Prechodné červie diery, považované za „mosty“ medzi rôznymi vesmírmi, sú dočasné (ako sme už povedali), aby sa predpokladalo, že obe ústa sa otvárajú do toho istého vesmíru, pretože okamžite vznikajú slučky. Čo potom z pohľadu všeobecnej relativity bráni ich vzniku aspoň v makroskopickom a kozmickom meradle?

Odpoveď je jednoduchá: štruktúra Einsteinových rovníc. Na ich ľavej strane sú veličiny charakterizujúce geometriu časopriestoru a na pravej strane takzvaný tenzor energie-hybnosti, ktorý obsahuje informácie o hustote energie hmoty a rôznych poliach, o ich tlaku v rôznych smeroch, o ich rozloženie v priestore a o stave pohybu. Dá sa „čítať“ Einsteinove rovnice sprava doľava a povedať, že s ich pomocou hmota „hovorí“ priestoru, ako sa má ohýbať. Ale je to možné aj zľava doprava, potom bude výklad iný: geometria diktuje vlastnosti hmoty, ktoré by jej, geometrii, mohli poskytnúť existenciu.

Ak teda potrebujeme geometriu červej diery, dosaďte ju do Einsteinových rovníc, analyzujte ju a zistite, aký druh hmoty je potrebný. Ukazuje sa, že je to veľmi zvláštne a bezprecedentné, nazýva sa to „exotická hmota“. Na vytvorenie najjednoduchšej červej diery (sféricky symetrickej) je teda potrebné, aby hustota energie a tlak v radiálnom smere tvorili zápornú hodnotu. Musím povedať, že pre bežné typy hmoty (ako aj mnohé známe fyzikálne polia) sú obe tieto veličiny kladné?...

Príroda, ako vidíme, skutočne postavila vážnu prekážku vzniku červích dier. Ale takto sú ľudia navrhnutí a vedci nie sú výnimkou: ak existuje bariéra, vždy sa nájdu tí, ktorí ju budú chcieť prekonať.…

Prácu teoretikov zaujímajúcich sa o červie diery možno rozdeliť do dvoch komplementárnych smerov. Prvý, za predpokladu existencie červích dier, uvažuje o výsledných dôsledkoch, druhý sa snaží určiť, ako a z čoho môžu byť červie diery postavené, za akých podmienok vznikajú alebo môžu vzniknúť.

V dielach prvého smeru sa napríklad diskutuje o takejto otázke.

Predpokladajme, že máme k dispozícii červiu dieru, cez ktorú prejdeme v priebehu niekoľkých sekúnd, a necháme jej dve lievikovité ústie „A“ a „B“ umiestnené blízko seba v priestore. Je možné z takejto diery urobiť stroj času? Americký fyzik Kip Thorne a jeho kolegovia ukázali, ako to urobiť: myšlienkou je nechať jedno z úst, „A“ na mieste, a druhé, „B“ (ktoré by sa malo správať ako obyčajné masívne teleso), zrýchliť. rýchlosť porovnateľnú s rýchlosťou svetla a potom sa vráťte späť a spomaľte vedľa „A“. Potom v dôsledku STR efektu (spomalenie času na pohybujúcom sa tele v porovnaní so stacionárnym telesom) uplynie pre ústa „B“ menej času ako pre ústa „A“. Navyše, čím väčšia je rýchlosť a trvanie cesty ústia „B“, tým väčší je časový rozdiel medzi nimi. V skutočnosti ide o ten istý „paradox dvojčiat“, ktorý je vedcom dobre známy: dvojča, ktoré sa vracia z letu ku hviezdam, je mladšie ako jeho brat v domácnosti Nech je časový rozdiel medzi ústami, napríklad šesť mesiacov. Potom, keď sedíme v blízkosti ústia „A“ uprostred zimy, uvidíme cez červiu dieru jasný obraz minulého leta a v skutočnosti sa toto leto vrátime a prejdeme priamo cez dieru. Potom sa opäť priblížime k lieviku „A“ (ten, ako sme sa dohodli, je niekde blízko), opäť sa ponoríme do diery a skočíme rovno do minuloročného snehu. A tak ďalej toľkokrát, koľkokrát chcete. Pohybujeme sa v opačnom smere, ponoríme sa do lievika „B“, preskočme šesť mesiacov do budúcnosti. Po jedinej manipulácii s jedným z úst dostaneme stroj času, ktorý možno „používať“ neustále (ak, samozrejme, predpokladáme, že diera je stabilná alebo že sme schopní zachovať jej „funkčnosť“).

Diela druhého smeru sú početnejšie a možno ešte zaujímavejšie. Tento smer zahŕňa hľadanie konkrétnych modelov červích dier a štúdium ich špecifických vlastností, ktoré vo všeobecnosti určujú, čo sa dá s týmito dierami robiť a ako ich používať.

Exomater a temná energia

Exotické vlastnosti hmoty, ktoré stavebný materiál pre červie diery musí mať, ako sa ukazuje, možno realizovať prostredníctvom takzvanej vákuovej polarizácie kvantových polí. K tomuto záveru nedávno dospeli ruskí fyzici Arkadij Popov a Sergej Suškov z Kazane (spolu s Davidom Hochbergom zo Španielska) a Sergej Krasnikov z observatória Pulkovo. A vákuum v tomto prípade vôbec nie je prázdnota, ale kvantový stav s najnižšou energiou – pole bez reálnych častíc. Neustále sa v ňom objavujú dvojice „virtuálnych“ častíc, ktoré opäť zmiznú skôr, než ich stihnú zachytiť prístroje, no zanechajú svoju veľmi reálnu stopu v podobe nejakého tenzora energie-hybnosti s nezvyčajnými vlastnosťami.

A hoci sa kvantové vlastnosti hmoty prejavujú najmä v mikrokozme, červie diery, ktoré generujú (za určitých podmienok), môžu dosahovať veľmi slušné veľkosti. Mimochodom, jeden z článkov S. Krasnikova má „strašidelný“ názov: „Hrozba červích dier“. Najzaujímavejšie na tejto čisto teoretickej diskusii je, že skutočné astronomické pozorovania v posledných rokoch zrejme značne podkopávajú pozíciu odporcov možnosti samotnej existencie červích dier.

Astrofyzici, ktorí študujú štatistiky výbuchov supernov v galaxiách vzdialených od nás miliardy svetelných rokov, dospeli k záveru, že náš Vesmír sa nielen rozpína, ale rozptyľuje sa stále väčšou rýchlosťou, teda so zrýchlením. Navyše sa toto zrýchlenie časom ešte zvyšuje. Celkom sebavedomo to dokazujú najnovšie pozorovania uskutočnené na najnovších vesmírnych teleskopoch. Teraz je čas pripomenúť si spojenie medzi hmotou a geometriou vo Všeobecnej teórii relativity: povaha expanzie vesmíru je úzko spojená s rovnicou stavu hmoty, inými slovami, so vzťahom medzi jej hustotou a tlakom. Ak je hmota bežná (s kladnou hustotou a tlakom), potom samotná hustota časom klesá a expanzia sa spomaľuje.

Ak je tlak záporný a má rovnakú veľkosť, ale má opačné znamienko ako hustota energie (potom ich súčet = 0), potom je táto hustota konštantná v čase a priestore - ide o takzvanú kozmologickú konštantu, ktorá vedie k expanzii s konštantné zrýchlenie.

Ale na to, aby sa zrýchlenie časom zvýšilo, to nestačí – súčet tlaku a hustoty energie musí byť záporný. Nikto nikdy nepozoroval takúto hmotu, ale zdá sa, že správanie viditeľnej časti vesmíru signalizuje jej prítomnosť. Výpočty ukazujú, že takejto podivnej, neviditeľnej hmoty (nazývanej „temná energia“) by v súčasnej dobe malo byť asi 70 % a tento podiel sa neustále zvyšuje (na rozdiel od bežnej hmoty, ktorá s rastúcim objemom stráca na hustote, sa tmavá energia správa paradoxne Vesmír je expanduje a jeho hustota sa zvyšuje). Ale (a o tom sme už hovorili) práve takáto exotická hmota je tým najvhodnejším „stavebným materiálom“ na tvorbu červích dier.

Je lákavé fantazírovať: skôr či neskôr bude objavená temná energia, vedci a technológovia sa ju naučia kondenzovať a stavať červie diery a potom už nebude dlho trvať a „sny sa splnia“ o strojoch času a tuneloch vedúcich ku hviezdam. .. Pravda, odhad hustoty tmavej energie vo Vesmíre, ktorý zabezpečuje jeho zrýchlenú expanziu, je trochu skľučujúci: ak je tmavá energia rozložená rovnomerne, výsledkom je úplne bezvýznamná hodnota, asi 10-29 g/cm3. Pre bežnú látku táto hustota zodpovedá 10 atómom vodíka na 1 m3. Dokonca aj medzihviezdny plyn je niekoľkonásobne hustejší. Takže ak sa táto cesta k vytvoreniu stroja času môže stať skutočnou, nebude to veľmi, veľmi skoro.

Potrebujete dieru na šišku

Doteraz sme hovorili o tunelovitých červích dierach s hladkým hrdlom. Ale GTR predpovedá aj iný typ červej diery a v zásade nevyžadujú vôbec žiadnu distribuovanú hmotu. Existuje celá trieda riešení Einsteinových rovníc, v ktorých štvorrozmerný časopriestor, plochý ďaleko od zdroja poľa, existuje akoby v dvoch kópiách (alebo listoch) a jediné, čo majú obe spoločné, sú určité tenký krúžok (zdroj poľa) a disk, tento krúžok obmedzený. Tento prsteň má skutočne magickú vlastnosť: môžete sa okolo neho „túlať“ tak dlho, ako chcete, zostať vo „svojom“ svete, no ak ním prejdete, ocitnete sa v úplne inom svete, hoci podobnom ako „ tvoj." A aby ste sa mohli vrátiť späť, musíte znova prejsť kruhom (a z ktorejkoľvek strany, nie nevyhnutne z tej, z ktorej ste práve odišli).

Samotný prstenec je jedinečný - zakrivenie časopriestoru na ňom ide do nekonečna, ale všetky body v ňom sú úplne normálne a teleso, ktoré sa tam pohybuje, nezaznamená žiadne katastrofické účinky.

Je zaujímavé, že existuje veľa takýchto riešení, neutrálnych aj s elektrickým nábojom, s rotáciou a bez neho. Toto je najmä slávne riešenie Novozélanďana R. Kerra pre rotujúcu čiernu dieru. Najrealistickejšie popisuje čierne diery hviezdnych a galaktických mierok (o existencii ktorých už väčšina astrofyzikov nepochybuje), keďže takmer všetky nebeské telesá zažívajú rotáciu a pri stlačení sa rotácia iba zrýchli, najmä pri kolapse do čiernej diery.

Ukazuje sa teda, že práve rotujúce čierne diery sú „priamymi“ kandidátmi na „stroje času“? Čierne diery, ktoré vznikajú v hviezdnych sústavách, sú však obklopené a naplnené horúcim plynom a drsným, smrteľným žiarením. Okrem tejto čisto praktickej námietky existuje aj zásadná námietka súvisiaca s ťažkosťami pri prechode spod horizontu udalostí na nový časopriestorový „list“. Nestojí to však za to, aby sme sa o tom podrobnejšie venovali, pretože podľa všeobecnej teórie relativity a mnohých jej zovšeobecnení môžu červie diery so singulárnymi prstencami existovať bez akýchkoľvek horizontov.

Existujú teda prinajmenšom dve teoretické možnosti existencie červích dier spájajúcich rôzne svety: červie diery môžu byť hladké a zložené z exotickej hmoty, alebo môžu vzniknúť v dôsledku singularity, pričom zostávajú priechodné.

Priestor a struny

Tenké singulárne prstence pripomínajú iné nezvyčajné objekty predpovedané modernou fyzikou, kozmické struny, ktoré sa vytvorili (podľa niektorých teórií) v ranom vesmíre, keď sa superhustá hmota ochladila a zmenila stav. Naozaj pripomínajú struny, len neobvykle ťažké – mnoho miliárd ton na centimeter dĺžky s hrúbkou zlomku mikrónu. A ako ukázali Američan Richard Gott a Francúz Gerard Clement, z niekoľkých strún pohybujúcich sa voči sebe vysokou rýchlosťou je možné vytvoriť štruktúry obsahujúce dočasné slučky. To znamená, že pohybom v gravitačnom poli týchto strún určitým spôsobom sa môžete vrátiť do východiskového bodu predtým, ako ste ho opustili.

Astronómovia hľadali tento druh vesmírnych objektov už dlho a dnes už existuje jeden „dobrý“ kandidát - objekt CSL-1. Ide o dve prekvapivo podobné galaxie, ktoré sú v skutočnosti pravdepodobne jednou, iba rozdvojenou vplyvom gravitačnej šošovky. Navyše v tomto prípade gravitačná šošovka nie je guľová, ale valcová, pripomínajúca dlhú tenkú ťažkú ​​niť.

Pomôže piata dimenzia?

Ak časopriestor obsahuje viac ako štyri dimenzie, architektúra červích dier získava nové, dovtedy nepoznané možnosti. V posledných rokoch si teda pojem „svet brancov“ získal popularitu. Predpokladá, že všetka pozorovateľná hmota sa nachádza na nejakom štvorrozmernom povrchu (označovanom pojmom „brána“, skrátené slovo „membrána“) a v okolitom päť- alebo šesťrozmernom objeme nie je nič okrem gravitačného poľa. Gravitačné pole na samotnej brane (a toto je jediné, ktoré pozorujeme) sa riadi upravenými Einsteinovými rovnicami a obsahujú príspevok z geometrie okolitého objemu. Takže tento príspevok môže hrať úlohu exotickej hmoty, ktorá vytvára červie diery. Nory môžu mať akúkoľvek veľkosť a zároveň nemajú vlastnú gravitáciu.

Toto, samozrejme, nevyčerpáva všetku rozmanitosť „dizajnov“ červích dier a všeobecným záverom je, že napriek všetkej nezvyčajnosti ich vlastností a napriek všetkým ťažkostiam základnej, vrátane filozofickej povahy, ku ktorej môžu viesť, ich prípadná existencia stojí za to zaobchádzať s úplnou vážnosťou a náležitou pozornosťou. Nedá sa napríklad vylúčiť, že v medzihviezdnom alebo medzigalaktickom priestore existujú veľké nory, už len kvôli koncentrácii tej istej temnej energie, ktorá urýchľuje expanziu vesmíru. Na otázky, ako by mohli vyzerať pre pozemského pozorovateľa a či existuje spôsob, ako ich odhaliť, neexistuje jednoznačná odpoveď. Na rozdiel od čiernych dier, červie diery nemusia mať ani viditeľné atraktívne pole (možné je aj odpudzovanie), a preto v ich blízkosti netreba očakávať výrazné koncentrácie hviezd či medzihviezdneho plynu a prachu. Ale za predpokladu, že môžu „skratovať“ oblasti alebo epochy ďaleko od seba a prechádzať cez seba žiarenie svietidiel, je celkom možné očakávať, že nejaká vzdialená galaxia sa bude zdať nezvyčajne blízko. V dôsledku rozpínania Vesmíru, čím je galaxia vzdialenejšia, tým väčší posun spektra (smerom k červenej) k nám jej žiarenie prichádza. Ale pri pohľade cez červiu dieru nemusí byť červený posun. Alebo bude, ale je to iné. Niektoré takéto objekty možno pozorovať súčasne dvoma spôsobmi - cez dieru alebo „zvyčajným“ spôsobom „za dieru“.

Znakom kozmickej červej diery by teda mohlo byť nasledovné: pozorovanie dvoch objektov s veľmi podobnými vlastnosťami, ale v rôznych zdanlivých vzdialenostiach a pri rôznych červených posunoch. Ak sa napriek tomu objavia (alebo postavia) červie diery, oblasť filozofie, ktorá sa zaoberá interpretáciou vedy, bude čeliť novým a treba povedať, že veľmi ťažkým úlohám. A napriek všetkej zdanlivej absurdnosti časových slučiek a zložitosti problémov spojených s kauzalitou, táto oblasť vedy to s najväčšou pravdepodobnosťou skôr či neskôr nejako vyrieši. Tak ako som sa kedysi „vyrovnal“ s konceptuálnymi problémami kvantovej mechaniky a Einsteinovej teórie relativity…

Kirill Bronnikov, doktor fyzikálnych a matematických vied