Новая теория: Червоточины могут быть надежными путями в пространстве-времени

Новая теория предполагает, что кротовые норы или порталы между черными дырами могут быть стабильными.

Полученные данные противоречат более ранним теориям о том, что эти гипотетические кратчайшие пути через пространство-время мгновенно исчезают при взаимодействии с ними.

Кардинальные изменения происходят потому, что крошечные различия в математике относительности, которая используется для описания таких червоточин, в конечном итоге резко меняют нашу общую картину их поведения.

Игра метрик.

Во-первых, немного истории о том, как работает общая теория относительности. Относительность подобна машине. Поместите определенные объекты — скажем, массу или расположение частиц — и машина покажет, как эта совокупность будет вести себя с течением времени из-за силы тяжести. Все в общей теории относительности основано на движении в пространстве и времени: объекты начинают движение в определенных физических координатах, они перемещаются и заканчиваются в других координатах.

Хотя правила общей теории относительности неизменны, сама теория предоставляет большую свободу для математического описания этих координат. Физики называют разные описания «метриками». Думайте о метрике как о разных способах описания того, как добраться до точки назначения. Это могут быть маршруты улиц, широта и долгота по спутниковым данным или ориентиры, начертанные на столбах. Ваша метрика в каждом случае разная, но независимо от того, какую метрику вы выберете, вы окажетесь в точке назначения.

Точно так же физики могут использовать разные метрики для описания одной и той же ситуации, и иногда одна метрика более полезна, чем другая — это похоже на то, чтобы начать с улиц, но посматривать на салфетку, чтобы дважды проверить, находитесь ли вы на правильном пути.

Расширенная черная дыра.

Когда дело доходит до черных дыр и червоточин, есть несколько потенциальных показателей. Самая популярная — метрика Шварцшильда, с помощью которой впервые были обнаружены черные дыры. Но метрика Шварцшильда содержит некоторую забавную математику. Эта метрика плохо себя ведет на определенном расстоянии от черной дыры, известном сегодня как радиус Шварцшильда или горизонт событий.

И под «плохим поведением» мы подразумеваем, что метрика полностью разрушается, и она больше не может различать разные точки в пространстве и времени.

Но есть еще одна метрика, называемая метрикой Эддингтона-Финкельштейна, которая описывает, что происходит с частицами, когда они достигают горизонта событий: они проходят сквозь черную дыру и падают в нее.

При чем здесь червоточины? Самый простой способ построить кротовую нору — «расширить» идею черной дыры с ее зеркальным отображением, белой дырой. Эта идея была впервые предложена Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном, поэтому кротовые норы иногда называют «мостами Эйнштейна-Розена».

В то время как черные дыры никогда ничего не выпускают наружу, белые дыры никогда ничего не пропускают. Чтобы создать червоточину, вы просто берете черную дыру и белую дыру и соединяете их сингулярности (точки бесконечной плотности в их центрах). Это создает туннель через пространство-время.

Результат? Очень неприятный туннель.

Туннель.

Если теоретическая червоточина существует, вполне разумно спросить, что произойдет, если кто-то действительно попытается пройти через нее. Вот тут-то и появляется механизм общей теории относительности: как ведут себя частицы в этой (очень интересной) ситуации?

Сами белые дыры нестабильны (и, вероятно, даже не существуют), а экстремальные силы внутри червоточины заставляют саму червоточину растягиваться, как резинка, в момент ее образования.

Но Эйнштейн и Розен построили свою кротовую нору с помощью обычной метрики Шварцшильда, и большинство анализов кротовой норы используют ту же самую метрику. Поэтому физик Паскаль Койран из Ecole Normale Supérieure de Lyon во Франции попробовал кое-что еще: вместо этого использовал метрику Эддингтона-Финкельштейна. Его статья, появившаяся в октябре в базе данных препринтов arXiv, будет опубликована в следующем выпуске Journal of Modern Physics D.

Койран обнаружил, что, используя метрику Эддингтона-Финкельштейна, ему было легче проследить путь частицы через гипотетическую кротовую нору. Он обнаружил, что частица может пересечь горизонт событий, войти в туннель кротовой норы и уйти через другую сторону, и все это за конечный промежуток времени. Метрика Эддингтона-Финкельштейна не работала неправильно ни на одном этапе пути.

Означает ли это, что мосты Эйнштейна-Розена устойчивы? Не совсем.

Общая теория относительности говорит нам только о гравитации, но не о других силах природы. Термодинамика, которая представляет собой теорию действия тепла и энергии, например, говорит нам, что белые дыры нестабильны. И если бы физики попытались создать комбинацию черной дыры и белой дыры в реальной Вселенной, используя реальные методы, другие математические вычисления предполагают, что плотности энергии разорвут все на части.

Тем не менее, результат Койрана по-прежнему интересен, потому что он указывает на то, что червоточины уже не область фантастики, и что могут существовать стабильные пути через кротовьи норы, что полностью разрешено общей теорией относительности.