Вселенная огромна и сильно рассредоточена: любые соседние планеты или звезды удалены на огромные расстояния, вызывающие тоскливые чувства. Как же нам исследовать Вселенную, не затрачивая десятки тысяч лет? Среди многочисленных концепций, разработанных учеными, популярна теория кротовых нор. Речь идет об использовании тоннелей, состоящих из пространства-времени.
Лорен Граш (Loren Grush)
Будучи любознательным по своей природе видом, люди уже давно мечтают о путешествиях в самые дальние глубины Вселенной. Именно это является главной темой нового эпического научно-фантастического фильма «Интерстеллар» (Interstellar), по сюжету которого Мэтью Макконахи (McConaughey) и Энн Хэтэуэй (Anne Hathaway) направляются в те места, куда и мы сами надеемся когда-нибудь попасть. Есть только одна небольшая загвоздка, связанная с путешествием в дальнем космосе.
Вселенная огромна. Помимо своих колоссальных размеров, она еще и сильно рассредоточена; любые соседние планеты, звезды или галактики удалены на вызывающие тоскливые чувства огромные расстояния. Так, например, Проксима Ценвавра, самая близкая к Земле звезда, находится на расстоянии 4,22 световых лет. Если бы обладающий самый высокой скоростью космический аппарат Voyager попытался достичь поверхности звезды Проксима Центавра, то этому крохотному зонду потребовалось бы для этого 80 000 лет.
И как же нам теперь исследовать Вселенную, чтобы на это не надо было затрачивать жизни тысяч поколений? Среди многочисленных концепций, разработанных учеными, один способ продолжает оставаться особенно популярным, прежде всего в области научной фантастики — речь идет о возможности срезать путь с использованием теоретических тоннелей, получивших название кротовые норы (wormholes).
В теории кротовые норы представляют собой имеющие форму тоннеля соединения, состоящие из пространства-времени и обеспечивающие более короткий путь между значительно удаленными друг от друга частями Вселенной. Идея состоит в том, что во время космических путешествий могут быть использованы подобные тоннели, позволяющие сделать их продолжительность значительно короче, чем тысячи лет. В многочисленных книгах, телевизионных шоу и художественных фильмах используется концепция «кротовых нор» применительно к путешествиям в глубокий космос — от мистического и напичканного инопланетянами полета доктора Элли Эрроуэя (Arroway) в фильме «Контакт» (Contact) до кротовых тоннелей баджорцев, открывавших доступ к неисследованному участку галактики Гамма Квадрант (Gamma Quadrent) в космической эпопее «Звездный путь: Глубокий космос 9» (Star Trek: Deep Space Nine).
Подобный сюжетный ход использован и в ленте «Интерстеллар». В этом фильме группа астронавтов совершает путешествие через недавно открытую кротовую нору, связывающую между собой удаленные друг от друга участки пространства-времени, и делается это для того, чтобы найти новый мир, который человек мог бы назвать своим домом. Звучит невероятно — как будто реализовались все наши фантазии относительно космических путешествий. Но возможно ли это на самом деле? Смогут ли люди в один прекрасный день, используя кротовые норы, совершить путешествие к другой галактике и даже дальше?
Наука говорит о том, что это весьма маловероятно, но возможно. Однако для того, чтобы получить возможность пройти по такой норе, нам потребуется выполнить многочисленные условия, а еще нужно будет понять, откуда берутся подобного рода секретные проходы.
Что такое кротовая нора?
До начала 1900-х годов в науке господствовала теория гравитации Ньютона. Его идея состояла в том, что все объекты во Вселенной — включая вас и меня — обладают внутренней силой, способной притягивать другие объекты. Чем больше объект, тем больше действующее гравитационное притяжение. Это объясняет, почему мы «держимся» на Земле, вместо того чтобы улететь в космическое пространство.
Однако в 1915 году Альберт Эйнштейн подверг основательной критике эту гипотезу. Он предположил, что гравитация, на самом деле, представляет собой результат искривления в пространстве-времени (пространство-время представляет собой слияние пространства и времени в единое целое). По сути, уже само существование предмета деформирует расположенные вокруг него пространство и время, создавая отпечаток во вселенной.
И именно эта деформация пространства-времени вызывает эффект гравитации. «Предположим, есть вы и какая-то другая масса. Вы искажаете пространство-время вокруг вас, а другая масса искажает пространство-время вокруг себя, и вы оба попадаете в гравитационный колодец друг друга», — говорит Ричард Холман (Richard Holman), профессор физики Университета Карнеги-Меллон.
Именно здесь и образуется связь с кротовыми норами. По мнению Эйнштейна и его коллеги Натана Розена (Nathan Rosen), кротовая нора представляет собой искривленное пространство, которое складывается таким образом, чтобы связать между собой две различные точки пространства-времени. В результате возникает тоннелеобразная структура — она может быть прямой или искривленной, — которая связывает между собой участки Вселенной, находящиеся на невероятно большом расстоянии друг от друга.
Из математической модели Эйнштейна следует, что кротовые норы должны существовать, однако пока никто не смог их обнаружить. Фумио Абэ (Fumio Abe), астрофизик из Университета Нагоя, предложил свой способ поиска больших гравитационных тоннелей (достаточно больших для космического корабля) — для этого нужно наблюдать за яркостью звезды, когда она проходит перед тоннелем. Этот эффект, получивший название гравитационный лензинг (gravitational lensing), должен заставить яркость флуктуировать особым способом.
Проблемы с кротовыми норами
Пока физики не смогли определить, каким образом кротовые норы могут возникать во Вселенной естественным образом. Однако физик-теоретик Джон Уилер (John Wheeler) заявил о том, что они могут спонтанно появляться и исчезать. Подобные выводы следуют из его гипотезы относительно квантовой пены (quantum foam). Предложенная им идея состоит в том, что виртуальные частицы все время возникают и исчезают довольно странным образом.
К сожалению, Уилер считает, что подобные импровизированные кротовые норы должны быть крайне маленькими и измерить их можно только по шкале Планка. Их длина будет порядка 10-33 сантиметров. Иными словами, эта кротовая нора будет такой маленькой, что ее будет практически невозможно обнаружить.
Предположим, однако, что мы смогли обнаружить крохотные кротовые норы в момент их возникновения — возможно, мы найдем способ увеличить их размеры. Для этого нам потребуется необычный материал под названием экзотическая материя (exotic matter).
«Правило обычной материи во Вселенной состоит в том, что она имеет позитивную энергетическую плотность и позитивное давление, — отмечает Эрик Дэвис (Eric Davis), старший научный сотрудник Института перспективных исследований в Остине. — Экзотическая материя немного отличается. Эта материя имеет негативную энергетическую плотность и/или негативное давление. Вы может иметь кусок материи с негативной энергией и позитивным давлением и наоборот».
Негативные качества экзотической материи могут надавить изнутри на стенки кротовых нор и сделать их достаточно большими — и достаточно стабильными — для человека или для космического корабля. Проблема лишь в том, что получить экзотическую материю не так легко: она существует только в теории; мы не знаем, как она выглядит и пока нам неизвестно, где ее искать.
Но предположим, что мы смогли справиться даже с этой проблемой в нашем гипотетическом построении. Мы обнаружили крохотную кротовую нору, затем каким-то образом получили определенное количество экзотической материи, после чего расширили и стабилизировали тоннель, сделав его достаточно большим для космического корабля. По мнению Холмана, помещение любого не состоящего из экзотической материи предмета в кротовую нору полностью ее дестабилизирует. Другими словами, вхождение в кротовую нору мгновенно приведет к гибели человека.
Относительно кротовых нор существует много предостережений, но вот еще одно — возможно, еще более серьезное. Кротовые норы вполне могут связать между собой два совершенно разных пространства-времени, то есть точка входа, возможно, будет находиться в совершенно другой эпохе. Таким образом, путешествие по кротовой норе связано с риском оказаться в ином историческом времени Вселенной. Некоторые специалисты даже считают, что кротовые норы могут связывать между собой совершенно разные Вселенные. Только представьте себе на секунду нечто подобное!
Что касается перспектив использования кротовых нор для космических путешествий, то Дэвис настроен более оптимистично, чем Холман. По мнению Дэвиса, для создания собственной функционирующей кротовой норы с нуля нужно лишь укротить экзотическую материю. (В настоящее время он работает над способом создания экзотической материи в лаборатории международной организации «Икарус Интерстеллар» (Icarus Interstellar). Что касается Холмана, то он является сторонником более реалистического подхода.
«Если бы это действительно было возможно — с учетом существования всех экзопланет и звезд, — то, вероятно, кто-нибудь “другой” уже смог бы это сделать, — отмечает Холман. — Насколько можно судить, глядя на весьма приличную часть Вселенной, ничего подобного мы не замечаем. Это говорит о том, что нам, вероятнее всего, придется в наших путешествиях пойти по более сложному пути».