String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: General Relativity and Wormholes: Doorways in Space and Time

Общая теория относительности и кротовые норы: порталы в пространстве и времени

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:15

Согласно общей теории относительности, ткань пространства-времени может иногда позволять мировым линиям образовывать замкнутую времениподобную кривую, при помощи которой можно перемещаться во времени.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:15

Эйнштейн сам исследовал эти концепции при разработке общей теории относительности, но не достиг значительного продвижения.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:15

В последующие годы были обнаружены решения, допускающие путешествия во времени.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:15

Первым общую теорию относительности для перемещений во времени использовал шотландский физик В. Я. ван Стокум в 1937 г.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:15

Ван Стокум вообразил (в математической форме, потому что именно так физики воображают вещи) бесконечно длинный, чрезвычайно плотный вращающийся цилиндр, подобный бесконечному шесту.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:15

Оказывается, что в этом случае массивный цилиндр фактически тянет пространство-время за собой, создавая пространственно-временной водоворот.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:16

Этот пространственно-временной водоворот - пример явления, называемого увлечением инерциальных систем отсчёта.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:16

Оно проявляется, когда объект "тащит" пространство (и время) за собой.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:16

Такое увлечение инерциальных систем отсчёта, в дополнение к обычному искривлению пространства-времени из-за гравитации, возникает при движении невероятно массивных объектов в пространстве, таких, как нейтронные звёзды.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:16

Это подобен тому, как электрический миксер заставляет завихряться тесто для торта вокруг себя.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:16

Данный эффект часто используется при разработке способов перемещений во времени.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:16

В случае ван Стокума вы могли бы подлететь к цилиндру в космическом корабле, установить курс на движение вокруг цилиндра и таким образом достичь точки, находящейся во времени до того, как вы подлетели к цилиндру.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:16

Другими словами, можно перемещаться в прошлое вдоль замкнутой времениподобной кривой.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:16

(Если вы не можете изобразить эту траекторию, не расстраивайтесь.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

В конце концов, путь проложен в четырёх измерениях и завершается передвижением назад во времени, так что это явно нечто такое, для чего наши мозги не достаточно развиты, чтобы обрисовать это.)

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

Ещё одна теория путешествий во времени была предложена в 1949 г. коллегой и другом Эйнштейна в Институте перспективных исследований Принстонского университета, математиком Куртом Гёделем.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

Гёдель рассмотрел ситуацию, когда всё пространство - вся вселенная целиком - на самом деле вращается.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

Вы могли бы спросить - если всё вращается, как мы смогли бы об этом когда-либо вообще узнать.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

Ну, оказывается, что если вселенная вращается, то, согласно общей теории относительности, мы могли бы наблюдать лёгкое изгибание лазерных лучей во время их движения сквозь пространство (за границами обычного гравитационного линзирования, при котором гравитация искривляет лучи света).

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

Решение, к которому пришёл Гёдель, было волнующим, так как позволяло путешествия во времени.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

Можно было бы проложить такой путь во вращающейся вселенной, который заканчивался бы до того, как начался.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

Во вращающейся вселенной Гёделя сама вселенная могла бы выполнять функции машины времени.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

Пока что физики не обнаружили какое-либо убедительное доказательство того, что наша вселенная вращается.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:17

На самом деле, в подавляющем большинстве случаев данные указывают на то, что это не так.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:18

Но даже если вселенная в целом и не вращается, объекты в ней определённо делают это.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:18

Срезая путь сквозь пространство и время при помощи кротовых нор

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:18

В решении, названном мостом Эйнштейна - Розена (который изображён на рис. 16-2 и чаще называется кротовой норой, или червоточиной), две точки пространства-времен могут быть соединены сокращённым путём.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:18

В некоторых особых случаях червоточина может фактически позволить путешествовать во времени.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:18

Вместо того, чтобы соединять разные области пространства, кротовая нора могла бы соединять различные участки времени!

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:18

Рисунок 16-2: Движение в кротовой норе могло бы перенести вас из одного положения в пространстве-времени в другое.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:18

Червоточины изучались Альбертом Эйнштейном и его учеником Натаном Розеном в 1935 г.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:18

(Впервые их концепцию предложил Людвиг Фламм в 1916 г.)

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:18

В этой модели сингулярность в центре чёрной дыры соединяется с другой сингулярностью, которая образует теоретический объект, названный белой дырой.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:19

В то время как чёрная дыра втягивает в себя материю, белая дыра выталкивает её.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:19

Математически, белая дыра - это перевёрнутая во времени чёрная дыра.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:19

Так как никто никогда не видел белую дыру, есть вероятность, что они не существуют, однако их существование допускается уравнениями общей теории относительности и всё ещё полностью не исключено.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:19

Объект, падающий в чёрную дыру, может переместиться сквозь кротовую нору и выйти из белой дыры на другой стороне в другой области пространства.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:19

Эйнштейн показал, что в использовании червоточин для путешествий во времени есть два недостатка:

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:19

✓ Кротовая нора так нестабильна, что может коллапсировать почти мгновенно.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:19

✓ Любой объект, попадающий в чёрную дыру, будет разорван интенсивной гравитационной силой внутри чёрной дыры и никогда не выберется с другой стороны.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:19

Затем, в 1963 г., математик из Новой Зеландии, Рой Керр, вычислил точное решение для уравнений поля Эйнштейна, описывающее чёрную дыру Керра.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:20

Особенностью этой чёрной дыры является то, что она вращается.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:20

Насколько учёные знают, все объекты во вселенной вращаются, включая звёзды, так что когда звазда коллапсирует в чёрную дыру, вполне вероятно, что она также будет вращаться.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:20

В решении Керра действительно возможно перемещаться сквозь вращающуюся чёрную дыру и избегать при этом сингулярности в центре, так что можно было бы выйти с другой стороны.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:20

Проблема, опять же, заключается в том, что чёрная дыра может коллапсировать в тот момент, когда вы будете проходить сквозь неё.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:20

(Я затрону эту проблему в следующей секции.)

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:21

Допуская, что физики могли бы получить достаточно большую и стабильную червоточину, чтобы сквозь неё можно было пройти, вероятно, простейшей машиной времени, использующей данную возможность, является теория, предложенная Кипом Торном из Калифорнийского технологического института.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:21

Рассмотрим кротовую нору со следующими характеристиками:

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:21

✓ Одна сторона червоточины находится на Земле.

ilves_ArtO 13.04.15 в 22:22