Чёрные дыры — самые загадочные объекты во Вселенной. Они настолько массивны, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Гравитация там настолько сильна, что пространство и время меняются местами. Но есть гипотеза, которая делает чёрные дыры ещё более удивительными: возможно, они не тупики, а проходы — входы в кротовые норы, соединяющие разные точки пространства-времени или даже разные вселенные.
Эта идея звучит как научная фантастика. И в каком-то смысле так оно и есть — кротовые норы пока остаются теоретическим конструктом. Но они следуют из уравнений общей теории относительности Эйнштейна так же естественно, как и сами чёрные дыры. И некоторые физики всерьёз рассматривают возможность того, что сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик могут быть «вратами» куда-то ещё.
1. Что такое кротовая нора простыми словами
Кротовая нора или «червоточина» — это гипотетический туннель в пространстве-времени, соединяющий две удалённые области. Представьте себе лист бумаги (двумерную Вселенную). Чтобы попасть из точки А в точку Б на противоположных концах листа, муравью нужно пройти долгий путь по поверхности. Но если сложить лист и проколоть его иглой, получится короткий путь через «третье измерение». Кротовая нора — это аналог такого прокола, но в нашем трёхмерном пространстве.
Вход в кротовую нору, по предположениям, может выглядеть как чёрная дыра — область, где гравитация настолько сильна, что ничто не может вырваться наружу. Но вместо сингулярности в центре там находится туннель, который ведёт к другому выходу — возможно, в другой точке нашей Вселенной, в другое время или даже в другую вселенную.
Проблема в том, что уравнения общей теории относительности предсказывают, что такие туннели, если они и могут существовать, будут чрезвычайно нестабильны. Они захлопнутся быстрее, чем даже свет успеет пройти через них, если только не удерживать их открытыми с помощью «эквивалента» отрицательной энергии — гипотетической экзотической материи.
Концепцию кротовых нор в физику ввёл Альберт Эйнштейн вместе с Натаном Розеном в 1935 году. Такие туннели называются «мостами Эйнштейна — Розена». Сам Эйнштейн считал их математическим курьёзом, не имеющим физического смысла.
2. Как чёрная дыра может быть кротовой норой
В классической модели чёрной дыры есть сингулярность — точка, где плотность и кривизна становятся бесконечными. Это сигнал того, что теория неполна. Физики надеются, что квантовая теория гравитации «сгладит» сингулярность, заменив её чем-то более физическим.
Одна из возможностей: сингулярности нет. Вместо неё — туннель в другую область пространства-времени. Вход в этот туннель выглядит как обычная чёрная дыра с горизонтом событий. Но если бы наблюдатель смог пересечь горизонт (что невозможно классически, потому что он был бы разорван приливными силами, но теоретически), он попал бы не в сингулярность, а в расширяющуюся область — «белую дыру» (антипод чёрной дыры, из которой всё вылетает).
Такие объекты называют «кротовыми норами, проходимыми в одном направлении». Они решают проблему информационного парадокса чёрных дыр (информация не уничтожается, а проходит в другую вселенную). Но пока это только математическая модель, не имеющая наблюдательных подтверждений.
Белая дыра — это обращённая во времени чёрная дыра. В неё нельзя войти, из неё только выходит вещество. Ни одной белой дыры не обнаружено, и большинство физиков считают, что они не существуют — это математическая симметрия, не реализуемая в природе.
3. Почему кротовые норы нестабильны (и что может их стабилизировать)
Ключевая проблема кротовых нор — их нестабильность. Как только частица (даже фотон) попадает в туннель, гравитация заставляет его схлопнуться быстрее скорости света. Для удержания норы открытой нужен материал с отрицательной плотностью энергии — «экзотическая материя».
Такая материя существует в квантовой физике: например, эффект Казимира создаёт область с отрицательной энергией между двумя близкими пластинами. Но эта энергия чрезвычайно мала. Для удержания кротовой норы размером в несколько километров потребовалось бы количество экзотической материи, равное массе Юпитера или даже больше.
Некоторые теоретики предполагают, что стабилизацию могут обеспечивать квантовые эффекты, возникающие в планковском масштабе. Вблизи сингулярности, где квантовая гравитация вступает в силу, пространство-время может «пениться», и кротовые норы могут возникать и исчезать спонтанно.
Однако для макроскопических чёрных дыр (звёздных и сверхмассивных) требуется стабилизация огромных масштабов.
Термин «кротовая нора» ввёл физик Джон Уилер в 1957 году. Он же придумал термин «чёрная дыра».
4. Что говорит квантовая гравитация
Теория струн. В некоторых моделях (например, в рамках голографического принципа) чёрные дыры могут быть эквивалентны квантовым состояниям струн, которые не имеют сингулярности. Кротовые норы в теории струн возникают как решения уравнений, но их стабильность — открытый вопрос.
Петлевая квантовая гравитация. Эта теория предсказывает, что пространство дискретно на планковском масштабе. Коллапс звезды останавливается до достижения сингулярности: возникает «квантовый мост», который может вести в другую область пространства-времени. Более того, петлевая теория предсказывает, что чёрная дыра со временем превращается в белую (через квантовое туннелирование), что делает её похожей на одностороннюю кротовую нору.
Эти предсказания пока не подтверждены и остаются гипотетическими.
5. Как отличить чёрную дыру от кротовой норы
Если кротовые норы существуют, как их обнаружить? Они должны выглядеть как чёрные дыры: тёмный силуэт на фоне светящегося аккреционного диска. Но есть отличия.
Аккреционный диск. У чёрной дыры вещество, падающее в неё, полностью исчезает за горизонтом событий и никогда не возвращается. У кротовой норы, если туннель ведёт в другую вселенную, вещество может не исчезать, а проходить насквозь. Это должно сказываться на излучении диска — например, могут быть вспышки, когда кусок вещества вылетает с другой стороны.
Гравитационные волны. При слиянии двух чёрных дыр гравитационные волны имеют характерный «звон» (затухающие колебания). Для кротовых нор этот сигнал может отличаться — например, может быть эхо, когда часть волн отражается от «горловины».
Линзирование. Кротовая нора может создавать гравитационное линзирование света от фоновых объектов, отличное от линзирования чёрной дыры.
На сегодняшний день ни одного из этих эффектов не обнаружено. Все наблюдаемые чёрные дыры (звёздных масс и сверхмассивные) ведут себя в точности как предсказывает общая теория относительности — без признаков кротовых нор.
6. Проблема
Даже если чёрная дыра — это вход в кротовую нору, классическая физика утверждает, что пересечь горизонт событий невозможно (для внешнего наблюдателя время падающего объекта замедляется и останавливается). Сам падающий объект пересекает горизонт за конечное время, но он будет разорван приливными силами задолго до этого — это работает для звёздных чёрных дыр. Для сверхмассивных чёрных дыр (миллионы масс Солнца) приливные силы у горизонта событий малы, и космонавт мог бы пересечь его, не заметив.
Но даже если он пересечёт горизонт, ему нужно, чтобы с другой стороны была белая дыра — область, из которой выходит вещество, а не входит. Проблема в том, что белые дыры нестабильны: любое вещество, падающее на них, превращает их обратно в чёрные дыры.
Таким образом, даже если вход в кротовую нору существует, выйти из неё в другом месте практически невозможно — она либо схлопнется, либо превратится в чёрную дыру.
А знаете ли вы? Научно-фантастический фильм «Интерстеллар» (2014) использовал концепцию кротовой норы как сюжетный ход. Физик Кип Торн, консультант фильма, разработал математически согласованную модель кротовой норы, стабилизированной экзотической материей. Но он признаёт, что это чистая гипотеза.
7. Альтернатива: черные дыры как голограммы
Существует другой взгляд, не требующий кротовых нор. Согласно голографическому принципу, вся информация о трёхмерной внутренности чёрной дыры закодирована на её двумерной поверхности — горизонте событий. Падающее вещество не исчезает, а «записывается» на горизонте. Сингулярности нет.
В этой картине никаких туннелей не нужно. Чёрная дыра — это просто очень плотный объект, покрытый информационной плёнкой. При испарении (излучение Хокинга) информация возвращается в космос. Никаких переходов в другие вселенные.
Это популярная точка зрения в современной теоретической физике, хотя она тоже не доказана.
Итог
Могут ли чёрные дыры быть проходами в другие вселенные? Теоретически — да. Уравнения общей теории относительности допускают такие решения. Но для этого нужна экзотическая материя с отрицательной энергией, существование которой сомнительно в макроскопических масштабах. Кроме того, все наблюдаемые чёрные дыры ведут себя как предсказывает классическая теория — без признаков кротовых нор.
Пока что путешествия в другие вселенные через чёрные дыры остаются в области научной фантастики. Но это не мешает физикам искать математически непротиворечивые модели, в которых такие путешествия возможны. А вдруг?
Подпишись, если понравилась статья!