Могут ли астронавты выжить при путешествии через пространственно-временной тоннель?

В уже столь обласканном критиками и зрителями фильме Interstellar астронавты в поисках спасения для человечества отправляются прямиком в пространственно-временной тоннель (п-в тоннель), который очень таинственно и своевременно появился в окрестностях Сатурна. Тоннель привёл космический корабль в червоточины ^[1]" Нолан опирался на консультации профессора Кипа Торна (Kip Thorne), астрофизика, помогавшего в своё время Карлу Сагану описать «червоточину» для его повести Contact. Этот феномен в фильме визуализирован великолепно и многими уже назван наиболее точным изображением «червоточины» в кинематографе. Но есть один аспект, который в фильме никак не освещён: а как вообще выжить при подобном путешествии?

Историческая справка

Гипотеза о существовании во вселенной точек входа в п-в тоннели — червоточин — была впервые выдвинута Альбертом Эйнштейном и его ассистентом Натаном Розеном. Они пытались решить уравнения Эйнштейна для общей теории относительности, чтобы прийти к чисто математической модели всей вселенной, включая гравитацию и элементарные частицы. В процессе работы они описали пространство как две параллельные плоскости, соединённые «перемычками», которые мы относим к частицам.

Другой физик, Людвиг Фламм (Ludwig Flamm), независимо от них предположил существование подобных перемычек в 1916 году в своём решении уравнений Эйнштейна. К сожалению, «теории всего» создать не получилось, поскольку эти предполагаемые перемычки вели себя не совсем как настоящие частицы. Но Эйнштейн и Розен в публикации от 1935 года ^[2] популяризировали саму идею существования туннелей сквозь пространство-время, что заставило других учёных серьёзно задуматься над этим вопросом.

Чёрная дыра

Сам термин «червоточина» был предложен в 1960-х годах физиком Джоном Вилером (John Wheeler), когда он изучал модель Эйнштейна-Розена. Он сравнил наше трёхмерное пространство с поверхностью яблока. В этом яблоке червяк прогрызает ход, и можно либо по поверхности яблока добраться до противоположной стороны, либо сделать это гораздо быстрее, но через червоточину, насквозь. Так и космические п-в тоннели, теоретически, могут позволить мгновенно попасть в невероятно далёкие уголки Вселенной, до которых свет добирается «по прямой» тысячи и даже миллионы лет.

Вилер заметил, что описание входов в тоннель хорошо подходит под описание объекта, известного как чёрная дыра Шварцшильда ^[3] — «простейшая» чёрная дыра, не имеющая электрического заряда и не вращающаяся. Может ли чёрная дыра быть ещё и входом в п-в тоннель? С точки зрения математики, может быть. Но никто не сможет выжить при входе в такую червоточину.

Согласно модели Шварцшильда, чёрная дыра является сингулярностью, нейтральной, неподвижной сферой с бесконечной плотностью. Вилер вычислил, что может произойти, если червоточина образовалась в ткани пространства-времени, соединив собой две сингулярности в разных частях Вселенной. Такой тоннель крайне нестабилен, после своего образования он сжимается и разрывается. Процесс образования и сжатия происходит так быстро, что даже свет не успевает пройти от одного конца тоннеля до другого. Поэтому корабль, который попытается пролететь через такой п-в тоннель, окажется внутри сингулярности и его мгновенно уничтожат неизмеримые гравитационные силы.

Альтернатива

Согласно другой теории, входом в п-в тоннель может быть вращающаяся чёрная дыра Керра ^[4]. Сингулярность внутри такой чёрной дыры имеет форму кольца, а не сферы, и некоторые модели допускают возможность выживания гипотетического корабля, если он пройдёт точно сквозь центр кольца. Однако Торн выдвинул целый ряд возражений на это. В 1987 году он написал ^[5], что в червоточине Керра присутствует крайне нестабильна область, называемая горизонт Коши ^[6]. Математики утверждают, что как только что-нибудь, включая свет, попытается пересечь этот горизонт, тоннель схлопнется. Даже если каким-то образом стабилизировать червоточину, то квантовая теория говорит нам, что внутри всё будет заполнено высокоэнергетическими частицами. Иными словами, корабль моментально сгорит.

Однако физики всё ещё проводят связь между классической теорией гравитации и квантовым миром с помощью довольно туманных математических вычислений. С точки зрения физиков Хуана Малдасены (Juan Maldacena) и Леонарда Сасскинда (Leonard Susskind) из Стэнфорда, червоточины могут быть чем-то вроде физического воплощения запутанности ^[7], когда квантовые объекты соединены друг с другом вне зависимости от расстояния между ними.

Большое количество экспериментов говорят нам, что квантовая запутанность действительно существует, и её уже даже использовали для защиты сетевых коммуникаций ^[8], например, при проведении банковских транзакций. Согласно Малдасене и Сасскинду, большое количество квантовой запутанности меняет геометрию пространства-времени и может стать катализатором образования червоточин в виде "запутанных чёрных дыр ^[9]". Но это уже не межзвёздные тоннели. В подобных червоточинах невозможно путешествовать быстрее скорости света.

Итак, чёрные дыры не могут быть подходящим вариантом для червоточины. Может быть, они вообще не существуют. По словам Ави Лоеэба (Avi Loeb ^[10]) из Гарвардско-Смитсонианского центра астрофизики, ещё не существует теории, которая бы надёжно объединяла общую теорию относительности с квантовой механикой. Нам неизвестно, существуют ли иные структуры, которые могут быть входами в п-в тоннели.

Луч надежды

В 1987 году Торн написал, что любая червоточина, согласующаяся с общей теорией относительности, будет схлопываться, если только в открытом состоянии её не будет поддерживать так называемая «экзотическая материя» с отрицательной энергией. Торн утверждал, существование этой самой материи подтверждается экспериментами, показывающими, как квантовые флуктуации в вакууме, судя по всему, создают отрицательное давление ^[11] между двумя зеркалами, расположенными очень близко друг к другу. По мнению Ави Лоэба, наши поиски тёмной материи также могут привести к подтверждению существования экзотической материи:

С течением времени галактики разлетаются со всё возрастающей скоростью, словно на них действует отталкивающая гравитация. Это ускоряющееся расширение Вселенной может быть объяснено тем, что наше пространство заполнено субстанцией с отрицательным давлением, совсем как материя, необходимая для существования червоточин."

Однако для этой цели нужно слишком много экзотической материи, и только очень высокоразвитая цивилизация могла бы надеяться реализовать такой проект.

Однако другие физики не согласны с вышесказанным.Малдасена говорит:

Я считаю, что стабильная червоточиная, через которую можно путешествовать, должна быть крайне извилистой и, возможно, несоответствующей известным нам физическим законам.

Сабина Хоссенфельдер (Sabina Hossenfelder) из Нордического института теоретической физики в Швеции, более скептична:

У нас нет абсолютно никаких доказательств существования червоточин. Вероятно, они и не могут существовать, а даже будь это не так, то они были бы крайне нестабильны.

Даже если бы экзотическая материя существовала, путешествие сквозь неё не было бы приятным. Её воздействие на корабль и астронавтов зависело бы от искривления пространства-времени вокруг червоточины, и плотности энергии внутри неё. Это как с чёрной дырой: слишком сильные приливные силы разорвут корабль на мельчайшие частицы.

Торн считает, вряд ли в природе существуют п-в тоннели, через которые нам удастся путешествовать.

Даже если они существуют, я очень сильно сомневаюсь, что они формируются в астрофизической Вселенной."

Автор: WhiteUnicorn

Источник ^[12]