Что такое кротовая нора и существует ли она на самом деле

Если вы смотрели фильм «Интерстеллар» или сериал «Звёздные врата», то наверняка представляли, как шагаете через портал и оказываетесь в другой галактике. Фантастические сюжеты этих произведений построены вокруг кротовых нор — гипотетических туннелей в пространстве-времени, которые могут соединять удалённые уголки Вселенной. 

Но существуют ли они в реальности? И могут ли перемещения из одной точки в другую за секунду воплотиться в жизнь? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно понять, что скрывается за термином «кротовая нора», как её представляют учёные и какие законы природы позволяют — или запрещают — такие путешествия. Давайте разбираться.

Что такое кротовая нора

Кротовая нора, или червоточина, — гипотетический объект, предсказанный общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Если говорить просто, это своего рода туннель или мост между двумя точками в пространстве-времени, который потенциально позволяет перемещаться между ними быстрее, чем по «прямому» пути. 

Чтобы представить, как это работает, вообразите лист бумаги. На нём есть точки A и B, расположенные далеко друг от друга. Если идти от А к В по поверхности листа, путь будет длинным. Но если сложить лист так, чтобы точки оказались рядом, и проткнуть его карандашом, можно попасть из одного места в другое почти мгновенно. Такая дырка — это и есть аналог кротовой норы: она сокращает путь за счёт искривления пространства-времени.

Как изучают кротовые норы

История концепции кротовых нор началась в 1916 году. Тогда австрийский физик Людвиг Фламм, изучая уравнения Эйнштейна, обнаружил, что у чёрных дыр в теории могут быть антиподы — белые дыры. Если первые затягивают в себя всё, что приближается, то вторые, напротив, ничего не могут принять внутрь, но способны выбрасывать материю наружу. Фламм предположил, что чёрные и белые дыры могут быть соединены особым пространственно-временным туннелем — по сути, кротовой норой.

Позже, в 1935 году, Эйнштейн и его коллега Натан Розен математически описали такие структуры и назвали их мостами Эйнштейна — Розена. Но оказалось, что они нестабильны: туннели моментально схлопываются под действием гравитации, не давая пройти даже свету.

Среди них был Кип Торн, консультант фильмов «Контакт» и «Интерстеллар». Вместе с коллегами учёный пришёл к выводу, что такое возможно — только для этого понадобилась бы экзотическая материя с отрицательной энергией. Она может действовать против силы гравитации, влияя на стенки туннеля и удерживая его открытым. Похожие эффекты действительно встречаются в квантовой теории поля, но в настолько мизерных масштабах, что о реальных путешествиях речи не идёт.

Тем не менее идея о том, что кротовые норы можно стабилизировать, привела к тому, что они перестали быть чисто математической абстракцией и теперь рассматриваются как потенциально реальные объекты.

Как ищут кротовые норы — и находят ли

Учёные пока не обнаружили ни одной червоточины, но это не останавливает их поиски. Рассказываем, как наука пытается найти «порталы» в пространстве-времени.

Теоретические модели

В 1999 году физики Лиза Рэндалл и Раман Сандрум предложили модель, в которой наша четырёхмерная Вселенная на самом деле часть большого пятимерного пространства. Гравитация в этой теории частично «растекается» в пятое измерение. И это может объяснить, почему для нас она гораздо слабее остальных взаимодействий — например, ядерных или электромагнитных. Кротовые норы же могут проходить через дополнительное измерение и приобретать там устойчивость благодаря особенностям гравитации и геометрии пространства.

В 2021 году Хуан Мальдасена и Алексей Милехин описали теоретическую модель, в которой кротовая нора может существовать даже в четырёх измерениях и не схлопываться. В расчётах они использовали смесь гравитации, электромагнетизма и особых лёгких частиц — фермионов. Последние создают эффект отрицательной энергии, способной удерживать туннель открытым. 

Ещё одно направление связано с так называемыми квантовыми кротовыми норами. С точки зрения физики даже самый «пустой» вакуум на самом деле наполнен мельчайшими колебаниями энергии — это своего рода кипящая пена из виртуальных частиц, которые возникают и исчезают за доли секунды. В этой бурлящей среде, как предполагают учёные, могут время от времени появляться крошечные червоточины — настолько маленькие и краткоживущие, что у нас нет возможности их обнаружить. Но подтвердить это современная наука пока не способна, так что квантовые кротовые норы остаются гипотезой.

Экспериментальные методы

С 2015 года, когда обсерватория LIGO впервые зарегистрировала гравитационные волны, у учёных появился новый инструмент для поиска червоточин. Эти волны возникают, когда сталкиваются два очень массивных тела — например, чёрные дыры или нейтронные звёзды. В теории, если вместо чёрных дыр столкнутся кротовые норы, сигнал будет отличаться. Например, после основного всплеска гравитационных волн может появиться «эхо» — отражение энергии от стенок туннеля. Пока такие сигналы не обнаружены, но улучшение чувствительности детекторов в будущем может изменить ситуацию.

Ещё один метод — анализ реликтового излучения, теплового «эха» Большого взрыва. Если бы кротовые норы существовали в ранней Вселенной (особенно крупные), они могли бы повлиять на распределение материи. Например, создать аномально пустые области среди галактик или оставить следы в виде странных перепадов температуры реликтового излучения. Такие искажения действительно наблюдаются, и их продолжают анализировать как возможные подсказки.

Совсем недавно физики начали использовать квантовые компьютеры, чтобы моделировать поведение кротовых нор в условиях, которые невозможно воспроизвести в лаборатории. В 2022 году команда Google Quantum AI провела эксперимент, в котором удалось передать информацию между частями квантовой системы с помощью эффекта, похожего на телепортацию. Этот процесс напоминал прохождение частицы через крошечную червоточину в искусственной модели пространства-времени. Конечно, это не настоящая кротовая нора, а математическая симуляция, но она помогает немного приблизиться к разгадке.

Что может помешать путешествовать сквозь кротовые норы

Даже если такие туннели существуют, путешествие через них будет сопряжено с экстремальными условиями, которые ставят под вопрос возможность выживания.

Сверхвысокие температуры

В 2023 году учёные смоделировали кротовые норы, через которые активно проходит материя. Выяснилось, что в их «горловине» возникают вихри плазмы, разогретые до миллионов градусов — в тысячи раз горячее, чем ядро Солнца. В таких условиях любой космический корабль испарится ещё до входа в туннель. Более того, при этих температурах могут начаться ядерные реакции, превратив полёт в термоядерную катастрофу.

Отсутствие экзотической материи

По классической теории, описанной выше, для стабилизации кротовых нор нужна экзотическая материя с отрицательной энергией. Проблема в том, что для червоточины размером с яблоко потребовалось бы количество отрицательной энергии, сопоставимое с тем, что Солнце вырабатывает за миллионы лет. Современная наука не знает, как собрать столько экзотической материи. Это делает создание искусственных кротовых нор практически невозможным с текущим уровнем технологий. 

Сложности со временем

По теоретическим моделям, например по модели Рэндалл — Сандрум, полёт через кротовую нору может занять у пассажира всего несколько секунд. Но для внешнего наблюдателя это может выглядеть как 10 тысяч лет. Всё из-за эффектов, связанных с движением на скоростях, близких к скорости света: для путешественника время идёт медленнее — как в «Интерстелларе».

Ещё один риск — временные парадоксы. Например, если кто-то смог бы вернуться в прошлое и повлиять на собственное рождение, это нарушило бы причинность. По теории Стивена Хокинга, чтобы этого избежать, в природе действует «хронологическая цензура»: законы, которые не позволяют кротовым норам превращаться в машины времени.

Околосветовая скорость

Чтобы преодолеть гравитацию червоточины, корабль должен разогнаться до скорости, близкой к световой. Это создаст огромные перегрузки, превышающие силу тяжести на Земле в десятки раз. Даже опытный астронавт потеряет сознание при таких условиях. И это не говоря о том, что корпус корабля должен быть сделан из материалов, которых пока не существует.

Что в итоге

Кротовые норы остаются одной из самых захватывающих загадок современной физики. С одной стороны, они предсказаны уравнениями Эйнштейна и могут существовать в рамках квантовых теорий. С другой — их обнаружение и использование кажется почти невозможным из-за экстремальных условий.

Но сам факт, что наука серьёзно рассматривает такие объекты, уже меняет наше понимание Вселенной. Изучение червоточин помогает развивать науку, исследовать природу времени и свойства материи. Даже если «космические порталы» так и останутся гипотезой, их математические модели служат мостом между общей теорией относительности и квантовой механикой — двумя столпами современной физики.

Возможно, в будущем новые технологии — квантовые компьютеры, гравитационные телескопы или эксперименты с экзотической материей — прольют свет на эту тайну. Но пока кротовые норы напоминают нам, как много ещё не изведанного скрывает космос, и вдохновляют учёных искать ответы за пределами привычной реальности.