Готовый перевод 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

Данный эффект часто используется при разработке способов перемещений во времени.

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.

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

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

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.)

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

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

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

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).

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

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

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

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

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

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

Срезая путь сквозь пространство и время при помощи кротовых нор

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

Особенностью этой чёрной дыры является то, что она вращается.

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.

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.

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

(Я затрону эту проблему в следующей секции.)

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.

Рассмотрим кротовую нору со следующими характеристиками:

✓ Одна сторона червоточины находится на Земле.

✓ Другая сторона кротовой норы расположена внутри космического корабля, в настоящее время покоящегося на Земле.

Червоточина на корабле движется вместе с ним.

✓ Вы можете перемещаться сквозь кротовую нору любым образом или разговаривать через неё, и такое перемещение или связь является, по существу, мгновенной.

Теперь предположим, что пара близнецов, зовущихся Мэгги и Эмили, стоят по обеим сторонам кротовой норы.

Мэгги находится рядом с червоточиной на Земле в 2009 г., в то время как Эмили - на космическом корабле (пока также в 2009).

Она отправляется на небольшую прогулку на несколько дней, двигаясь приблизительно со скоростью света, однако, когда она возвращается, из-за замедления времени на Земле проходят тысячи лет (теперь она в 5909 году).

На стороне кротовой норы Мэгги (всё ещё в 2009) прошло всего несколько дней.

Фактически, близнецы регулярно обсуждали странные зрелища, которым наблюдала Эмили в течение нескольких дней своего путешествия.

Эмили (в 5909 году) может пройти сквозь кротовую нору к месту расположения Мэгги (в 2009), и, вуаля, она переместилась назад во времени на тысячи лет!

По сути, теперь, когда заботы Эмили по установке портала закончились, Мэгги (или кто-нибудь ещё) может так же просто путешествовать из 2009 года в 5909 (или наоборот), просто шагая сквозь него.

Со времени появления модели Торна физиками было разработано несколько сценариев путешествий во времени, основанных на использовании кротовых нор.

В сущности, некоторые физики показали, что если червоточины существуют, они должны позволять перемещения во времени так же, как и в пространстве.

Преодоление нестабильности кротовой норы при помощи отрицательной энергии

Проблема при использовании червоточин для путешествий во времени заключается в том, что они по своему существу нестабильны.

Когда частица влетает в кротовую нору, она создаёт флуктуации, заставляющие структуру коллапсировать.

Существуют теории, в которых кротовую нору можно удерживать открытой при помощи некоторой формы отрицательной энергии, представляющей собой такой случай, когда плотность энергии (единица энергии на объём) пространства, как ни странно, отрицательна.

Согласно этим теориям, достаточное количество использующейся отрицательной энергии может продолжать удерживать кротовую нору открытой, пока объекты проходят сквозь неё.

Это будет абсолютно необходимым для любой из ранее обсуждавшихся теорий, которые позволяют червоточине превратиться во временной портал, однако учёным не хватает реального понимания того, как собрать достаточное количество отрицательной энергии, и большинство считает, что эта задача неразрешима.

В некоторых моделях может быть возможным установить соотношение между тёмной и отрицательной энергиями (обе являются формой гравитационного отталкивания, даже если тёмная энергия - это положительная энергия), но данные модели крайне запутаны.

Хорошие новости (если вы считаете возможность путешествия во времени хорошей новостью) заключаются в том, что в нашей вселенной, по-видимому, тёмная энергия в изобилии, хотя проблема в том, что она, похоже, равномерно распределена по вселенной.

Попытки обнаружения какого-либо способа накопления отрицательной энергии и её использования для поддержания кротовой норы в стабильном состоянии находятся далеко за пределами текущих технологий (даже если это вообще возможно).

Теория струн может предоставить потенциальные источники отрицательной энергии, но даже в этом случае нет гарантии того, что стабильные кротовые норы могут существовать.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145440

Переводчики: ilves_ArtO