Новое исследование обосновало возможность существования кротовых нор в пространстве-времени

Возможно, существуют вполне реалистичные способы создания «космических мостов». Их предсказала общая теория относительности. Согласно данным нового исследования, так называемые «кротовые норы» абсолютно реальны и они могут находиться даже в нашей галактике.

На ранних этапах исследований кротовых нор, еще до того, как они получили свое название, физики еще не знали, существуют ли эти странные объекты в реальном мире. Они вполне могли оказаться всего лишь странным изгибом в тех сложных математических расчетах, которые в те времена использовала все еще юная общая теория относительности, описывающая гравитацию. Однако со временем накопились доказательства того, что кротовые норы абсолютно реальны и что они даже могут существовать в нашей галактике.

Сегодня на кону оказалось еще одно странное предсказание от общей теории относительности — кротовые норы, эти фантастические туннели, ведущие на другой край Вселенной. Реальны ли они? И, если они есть в нашем космосе, могут ли люди надеяться когда-нибудь использовать их для перемещения во времени и пространстве? После того как в 1935 году ученые предсказали их существование, наука как будто давала отрицательный ответ на этот вопрос: ученые считали, что кротовые норы вряд ли могут быть элементом реальности. Однако новое исследование дает нам возможность предположить, как кротовые норы могут возникнуть, — и этот процесс может оказаться гораздо более простым, чем физики долгое время считали.

Изначально концепция кротовых нор была выдвинута физиками Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном. Они изучали странные уравнения, которые, как мы сейчас знаем, описывают тот участок космоса, который невозможно миновать и который мы называем черной дырой. Они задавались вопросом, что на самом деле могут представлять собой черные дыры. Эйнштейн и Розен обнаружили, что как минимум теоретически поверхность черной дыры может работать как мост, соединяющий одну часть космоса с другой. Переход между ними можно сравнить с тем, как если бы вы проскользнули сквозь сливное отверстие вашей ванной, но, вместо того чтобы застрять в трубах, попали бы в другую ванну, абсолютно такую же, как первая.

В дальнейшем ученые развивали эту идею, однако они столкнулись с двумя неустранимыми проблемами, которые препятствовали возникновению легко обнаруживаемых и доступных для использования людьми кротовых нор: хрупкость и очень маленькие размеры. Во-первых, как выясняется, согласно общей теории относительности, гравитационное притяжение любого обычного вещества, проходящего сквозь кротовую нору, заставило бы горловину в самом узком месте схлопнуться. Чтобы сделать кротовую нору стабильной, требуется какой-то дополнительный необычный ингредиент, который позволит держать кротовую нору открытой, — ученые называют его «экзотической» материей.

Во-вторых, те процессы создания кротовых нор, которые ученые рассматривали, опираются на действие таких сил, которые мешают макроскопическому «путешественнику» попасть в кротовую нору. Проблема заключается в том, что процесс возникновения кротовой норы и экзотическая материя, которая позволяет ее стабилизировать, не могут слишком далеко отклоняться от привычных законов физики. Термин «экзотическая» вовсе не означает, что физики могут придумывать все, что угодно, чтобы их расчеты на бумаге сходились. Но пока привычная физика может дать нам только микроскопические кротовые норы. Более крупная кротовая нора, очевидно, требует таких процессов и такого типа материи, которые одновременно будут необычными, и правдоподобными. «В этом и заключается тонкость», — сказала Брианна Градо-Уайт (Brianna Grado-White), физик из Брандейского университета.

Прорыв произошел в 2017 году, когда физики Пинь Гао (Ping Gao) и Дэниэл Джэфферис (Daniel Jafferis) из Гарвардского университета, а также Арон Уолл (Aron Wall) из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) Принстона нашли способ удерживать кротовые норы открытыми посредством «квантовой запутанности» — своеобразного протяженного соединения между квантовыми объектами. Особая природа запутанности позволяет ей обеспечивать тот экзотический ингредиент, который необходим для поддержания стабильности кротовой норы. И, поскольку запутанность — это стандартный элемент квантовой физики, ее относительно несложно создать. «Это по-настоящему красивая теория», — сказал Набиль Икбал (Nabil Iqbal), физик из Даремского университета в Англии, который не принимал участия в этом исследовании. Хотя этот метод помогает стабилизировать кротовые норы, он позволяет создавать лишь микроскопические туннели. Тем не менее, этот новый подход дал начало целому направлению в исследованиях, в рамках которых трюк с запутанностью применяется к самым разным типам материи в надежде получить более крупные и устойчивые кротовые норы.

Одна из гипотез нашла отражение в предварительной публикации исследования Икбала и его коллеги из Даремского университета Саймона Росса (Simon Ross). Эти двое ученых попытались проверить, можно ли с помощью метода Гао-Джэффериса-Уолла создать более крупную кротовую нору. «Мы подумали, что будет интересно, с точки зрения научной фантастики, выйти за пределы допустимого и проверить, может ли подобное существовать», — объяснил Икбал. Их исследование показало, как особые возмущения внутри магнитных полей, окружающих черную дыру, могут в теории генерировать стабильные кротовые норы. К сожалению, в результате возникают только микроскопические кротовые норы, и, по словам Икбала, в реальности такая ситуация вряд ли возможна.

Работа Икбала и Росса делает акцент на деликатном аспекте формирования кротовой норы — на том, чтобы найти такой реалистичный процесс, который не требует никаких дополнительных компонентов, выходящих за рамки знакомой физики. Физик Хуан Мальдасена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований, который в 2013 году выдвинул гипотезу о связях между кротовыми нормами и запутанностью, и его коллега Алексей Милехин (Alexey Milekhin) из Принстонского университета нашли метод, с помощью которого можно создавать большие кротовые норы. Особенность их подхода в том, что та загадочная темная материя, которая наполняет нашу вселенную, должна вести себя особым образом, — и, возможно, мы живем во вселенной, в которой подобное невозможно. «У нас ограниченный набор инструментов, — сказала Градо-Уайт. — Чтобы нечто получилось таким, каким мы хотим его видеть, мы можем использовать только этот набор инструментов».

Бум в области исследования кротовых нор продолжается. Пока машины, позволяющие по требованию создавать кротовые норы размером с человека, кажутся нереалистичными, но результаты исследований демонстрируют определенный прогресс. «Мы узнаем, что на самом деле мы можем создавать кротовые норы, способные оставаться открытыми, при помощи простых квантовых эффектов, — сказала Градо-Уайт. — Очень долгое время мы считали, что подобное вообще невозможно создать. Теперь же выясняется, что мы на это способны».