Кротові нори, крізь які дійсно можна було б пролетіти: теорія, поза рамками стандартної моделі

Червоточини (або кротові нори) є популярною особливістю наукової фантастики – засобом, за допомогою якого космічні кораблі можуть здійснювати подорож швидше світла (FTL) і миттєво переходити з однієї точки простору в іншу. І хоча Загальна теорія відносності забороняє існування «прохідних червоточин», останні дослідження показали, що вони насправді можливі в області квантової фізики, повідомляє phys.

Єдиним недоліком є те, що насправді потрібно більше часу для їх перетину, ніж у звичайному просторі, і / або вони, ймовірно, будуть мікроскопічними. У новому дослідженні, проведеному парою вчених з Ліги плюща, існування фізики за межами Стандартної моделі може означати, що існують червоточини, які не тільки досить великі, щоб їх можна було пройти, але і повністю безпечні для людей, які хочуть дістатися з точки А в точку Б.

Дослідження під назвою «Червоточини, крізь які може пройти людина» проводили Хуан Малдасена, професор теоретичної фізики Карла П. Фейнберг з Інституту перспективних досліджень, і Олексій Мілєхін, випускник астрофізики Прінстонського університету. У минулому пара багато писала про червоточини і про те, як вони можуть бути засобом для безпечної подорожі у космосі.

Теорія кротячих нір виникла на початку 20 століття у відповідь на загальну теорію відносності Ейнштейна. Першим, хто постулював їх існування, був Карл Шварцшильд, німецький фізик і астроном, чиї рішення рівняння поля Ейнштейна (метрика Шварцшильда) привели до першого теоретичного обгрунтування існування чорних дір.

Наслідком метрики Шварцшильда стало те, що він називав “вічними чорними дірами”, які по суті були зв’язками між різними точками у просторі-часі. Однак ці червоточини Шварцшильда (вони ж мости Ейнштейна – Розена) не були стабільними, оскільки вони руйнувалися занадто швидко, щоб щось переходило з одного кінця на інший.

Як пояснили Малдацена та Мілехін виданню Universe Today електронною поштою, прохідні червоточини вимагають особливих обставин, щоб існувати. Сюди входить існування негативної енергії, що неприпустимо у класичній фізиці, – але є можливим в області квантової фізики. Хорошим прикладом цього, на їх думку, є ефект Казимира, коли квантові поля виробляють негативну енергію, поширюючи її по замкнутому колу.

Вмикайте субтитри і потім “переклад” на рідну мову

 

«Однак цей ефект зазвичай невеликий, тому що він квантовий. У нашій попередній статті ми зрозуміли, що цей ефект може стати значним для чорних дір із великим магнітним зарядом. Нова ідея полягала у використанні особливих властивостей заряджених безмассових ферміонів (таких частинок, як електрон, але з нульовою масою.) Для магнітно зарядженої чорної діри вони рухаються уздовж силових ліній магнітного поля (подібно до того, як заряджені частинки сонячного вітру створюють полярні сяйва поблизу полярних областей землі)».

Ці частинки можуть рухатися по колу, потрапляючи в одне місце і виринаючи там, де вони почалися, в навколишньому плоскому просторі. Це означає, що “енергія вакууму” модифікується і може бути негативною. Наявність цієї негативної енергії може підтримати існування стабільної червоточини, мосту між точками у просторі-часі, який не зруйнується до того, як щось зможе його подолати.

Такі кротячі нори можливі на основі речовини, яка є частиною Стандартної моделі фізики частинок. Єдина проблема полягає у тому, що ці червоточини повинні бути мікроскопічними за розміром і існувати лише на дуже малих відстанях. Для подорожей людей червоточини мали б бути великими, що вимагає фізики, яка перевищує стандартну модель.

Для Мальдацени та Мілехіна тут набуває значення модель Рендалла-Сундрума II (вона ж п’ятивимірна теорія деформованої геометрії). Названа на честь фізиків-теоретиків Лізи Рендалл та Рамана Сундрама, ця модель описує Всесвіт з точки зору п’яти вимірів і спочатку була запропонована для вирішення проблеми ієрархії у фізиці елементарних частинок.

Вмикайте субтитри і потім “переклад” на рідну мову

“Модель Рендалла-Сандрома II базувалася на усвідомленні того, що цей п’ятивимірний простір-час може також описувати фізику із меншими енергіями, ніж ті, які ми зазвичай досліджуємо, але він уникнув би виявлення, оскільки поєднується з нашою речовиною лише завдяки гравітації. Насправді його фізика схожа на додавання багатьох відомих фізик безмасових полів, що сильно взаємодіють. І з цієї причини вона може породити необхідну негативну енергію”.

Ззовні Мальдацена та Мілехін дійшли висновку, що ці червоточини будуть нагадувати заряджені чорні діри із проміжними розмірами, які генеруватимуть такі потужні сили припливів, яких космічні кораблі повинні уникати. Для цього, стверджують вони, потенційному подорожувачеві знадобиться дуже великий підсилюючий коефіцієнт, коли він проходитиме через центр червоточини.

Якщо припустити, що це можливо, залишається питання, чи могли б ці червоточини діяти як найкоротший шлях між двома точками у просторі-часі. Як зазначалося, попередні дослідження Даніеля Джаферіса з Гарвардського університету (який також розглядав роботи Ейнштейна та Натана Розена) показали, що, хоча це можливо, стабільні червоточини фактично займуть більше часу на перехід, ніж звичайний простір.

Однак, згідно з роботами Мальдацени та Мілехіна, їх червоточинам майже не знадобиться часу, щоб перетнути їх з точки зору мандрівника. З точки зору сторонніх, час у дорозі буде набагато довшим, що узгоджується із загальною теорією відносності – коли люди, які подорожують близько до швидкості світла, відчуватимуть розширення часу (тобто час сповільнюється). Як висловилися Мальдацена та Мілехін:

“Для астронавтів, які проходять крізь червоточину, знадобиться лише одна секунда їхнього часу, щоб пройти 10 000 світлових років (приблизно 8046 мільярдів км або 1/10 розміру Чумацького Шляху). Спостерігач, який не пройде крізь червоточину і залишиться зовні бачить, що їм потрібно більше 10 000 років. І все це без використання палива, оскільки гравітація прискорює і гальмує космічний корабель .

Ще одним бонусом є те, що подорож цими червоточинами може здійснюватися без використання палива, оскільки гравітаційна сила самої червоточини прискорює і уповільнює космічний корабель. У сценарії освоєння космосу пілоту потрібно було б орієнтуватися у припливних силах червоточини, щоб розташувати свій космічний корабель як слід, а потім нехай природа зробить все інше. Через секунду вони з’являться з іншого боку галактики.

Хоча це може здатися обнадійливим для тих, хто вважає, що червоточини можуть стати засобом космічних подорожей одного разу, робота Малдасени та Мілехіна також має деякі суттєві недоліки. Для початку вони наголошують, що прохідні червоточини потрібно було б сконструювати із використанням негативної маси, оскільки не існує вірогідного механізму природного утворення.

Хоча це можливо (принаймні теоретично), необхідні конфігурації простору та часу повинні бути наявними заздалегідь. Незважаючи на це, маса та розмір, що беруть участь, настільки великі, що завдання перевищить будь-яку практичну технологію, яку ми можемо передбачити. По-друге, ці червоточини були б безпечні лише у тому випадку, якщо б простір був холодним і рівним, що не стосується моделі Рендалла-Сандрома II.

До всього іншого, будь-який об’єкт, який потрапляє у червоточину, буде прискореним, і навіть наявність всепроникаючого космічного фонового випромінювання буде значною небезпекою. Однак Мальдацена та Мілехін підкреслюють, що їх дослідження було проведено з метою показати, що прохідні червоточини можуть існувати в результаті “тонкої взаємодії між загальною теорією відносності та квантовою фізикою”.

Коротше кажучи, червоточини, швидше за все, не стануть практичним способом подорожі у космосі – принаймні, який можна було б передбачити. Можливо, вони не виходили б за межі цивілізації Кардашева II або III типу, але це лише здогадки. Проте, знання того, що важливий елемент наукової фантастики не виходить за рамки можливого, безумовно, обнадіює.