Kirminų skylės ir kelionės laiku

Гипотетическая кротовая нора — это геометрия пространства-времени, соединяющая области дополнительным путём. Её входы обычно называют устьями, а узкую соединяющую область — горловиной. В зависимости от модели устья могут вести в разные области одной Вселенной или в отдельные внешние области.[1]

Сложенную бумагу используют, чтобы представить более короткий путь, но дополнительное измерение на рисунке служит лишь наглядным средством. Физический вопрос касается расстояний и причинно-следственных путей в самом пространстве-времени. Кротовая нора не обязательно представляет собой трубу, изгибающуюся через окружающее пространство, куда можно попасть и другим путём.[2]

Мост Эйнштейна–Розена

Ещё в 1935 году Эйнштейн и Розен предложили конструкцию моста, исследуя описание частиц в общей теории относительности. Их целью не было создать проект межзвёздного транспорта.[3]

Мост в максимально продолженной вечной геометрии Шварцшильда математически соединяет две внешние области. Однако ни массивный путешественник, ни фотон не могут пройти из одной внешней области в другую. Его непроходимость обусловлена причинной структурой, даже если никто не пытается в него попасть.[4]

Вопрос Морриса–Торна

Вместо этого Моррис и Торн спросили, какая геометрия нужна, чтобы человек мог пройти через неё. В их известных статических сферически-симметричных моделях горловина должна оставаться открытой, на пути не должно быть горизонта событий, а приливные напряжения и продолжительность путешествия должны быть приемлемы для путешественника.[5]

Задав геометрию с такими свойствами, остаётся решить другую задачу: определить поддерживающие её вещество и поля. Статическое решение также само по себе не доказывает, что система может возникнуть или останется устойчивой после возмущения.[5]

Уравнения Эйнштейна связывают кривизну пространства-времени с энергией, импульсом, давлением и другими напряжениями. Для стандартной горловины Морриса–Торна в гравитации Эйнштейна раскрытие геометрии требует нарушения нулевого энергетического условия вблизи горловины.[5]

Одного отрицательного давления недостаточно. Для идеальной жидкости нулевое энергетическое условие имеет вид ρ + p ≥ 0, где ρ — плотность энергии. Космологическая постоянная имеет p = −ρ и достигает равенства в этом условии. Напряжения в кротовой норе обычно зависят от направления, поэтому важно радиальное давление.[6]

Что квантовая физика допускает и ограничивает

Квантовые поля могут иметь отрицательную локальную перенормированную плотность энергии, определённую относительно подходящего эталонного состояния. Это не означает, что можно свободно накапливать вещество с неограниченной отрицательной энергией. Квантовые энергетические неравенства ограничивают допустимые средние значения; точные пределы зависят от поля и физических условий.[7]

Сила Казимира между близко расположенными поверхностями измерена. Это наблюдение подтверждает зависимые от граничных условий квантовые эффекты поля; оно не демонстрирует существование вещества, способного удерживать червоточину открытой.[8]

Обычная антиматерия тоже не даёт более короткого пути к выполнению этого требования: античастицы, как и обычные частицы, представляют собой возбуждения с положительной энергией. Противоположный электрический заряд не означает отрицательную энергию.[9]

Форд и Роман применили квантовые ограничения к статическим сферическим червоточинам и установили строгие ограничения на размеры их горловин и областей отрицательной энергии. Их анализ устанавливает строгие пределы, действующие при определённых полуклассических предположениях, но это не теорема, исключающая все возможные модели червоточин.[10]

Попадание в будущее других людей

Для двух часов, движущихся по разным траекториям в пространстве-времени, может пройти неодинаковое собственное время. Путешественник может вернуться, постарев меньше, чем оставшиеся. Различия в показаниях релятивистских часов подтверждены экспериментами, в том числе сравнениями с использованием точных атомных часов.[11]

В этом смысле путешественник достигает более позднего этапа жизни других людей, хотя для него самого проходит меньше времени. Часы обоих наблюдателей на своих траекториях всё равно идут вперёд; этот процесс не возвращает путешественника к более раннему событию.[11]

Возвращение к событию из собственного прошлого

Так называемая замкнутая времениподобная кривая, или CTC, — это направленная в будущее времениподобная траектория, которая в пространстве-времени замыкается сама на себя. Облетев планету, вы возвращаетесь в то же место в более позднее время. CTC возвращает в то же событие пространства-времени, делая возможной причинную петлю.[12]

В некоторых математических решениях встречаются такие кривые. Модель вращающейся Вселенной Гёделя — известный пример; её свойства не описывают наблюдаемую нами Вселенную. Нахождение решения уравнений ещё не доказывает, что такой тип пространства-времени может возникнуть в природе при реалистичных условиях.[13]

В мысленном эксперименте Морриса, Торна и Юртсевера из-за относительного движения устьев червоточины для них может пройти неодинаковое собственное время, пока соединяющая их червоточина продолжает существовать. При подходящем расположении устьев путешествие через червоточину может связать события, которым внешние часы приписывают разное время.[2]

В этой конструкции предполагается, что червоточина и поддерживающие её поля сохраняются на протяжении всей процедуры. Это условный аргумент о геометрии, а не подтверждённый инженерный метод.[2]

Сдвиг превышает сумму поправки на переход и длительности обратного пути по внешнему маршруту. Вернувшись в B раньше, можно подождать и замкнуть петлю.[14]

Одного временного сдвига недостаточно, чтобы гарантировать CTC. Он должен быть достаточно большим по сравнению с длительностью возможного обратного маршрута, чтобы весь путь мог замкнуться в петлю.[2]

Парадоксы ставят вопрос о непротиворечивости истории событий

В парадоксе дедушки представляется действие, которое уничтожает условия, необходимые для совершения этого же действия. Однако в классических исследованиях замкнутых времениподобных кривых (CTC) можно спросить, существуют ли внутренне непротиворечивые истории. В некоторых упрощённых моделях есть непротиворечивые решения, иногда даже несколько. Это не доказывает, что машины времени существуют или что путешественники могут свободно переписывать уже сложившееся прошлое.[15]

Гипотеза Хокинга о защите хронологии

Хокинг выдвинул идею, что законы физики могут препятствовать образованию замкнутых времениподобных кривых. По мере приближения к образованию области, нарушающей хронологию, квантовые поля могли бы сильно реагировать и менять геометрию в результате обратного воздействия. Эти рассуждения побуждают задуматься о защите хронологии; это не универсальное доказательство, исключающее возможность любых причинных петель.[16]

Кей, Радзиковский и Вальд доказали более конкретное ограничение: для рассматриваемого ими класса горизонтов и квантовых полей в определённых точках горизонта перестаёт выполняться стандартное условие регулярности квантового состояния. В этих точках обычный способ построения перенормированного тензора энергии-импульса больше не работает. Это не доказывает, что энергия бесконечна повсюду, и не определяет, какой результат дала бы завершённая теория квантовой гравитации.[17]

ER = EPR – гипотеза о связи

Малдасена и Сасскинд предложили связь между мостами Эйнштейна–Розена и квантовой запутанностью. Некоторые состояния квантово-запутанных чёрных дыр можно геометрически описать с помощью мостов. Более широкая гипотеза ER = EPR ставит вопрос о том, насколько широко применима эта связь; она не превращает каждую запутанную пару в пригодный для использования туннель.[19]

Проходимость в контролируемых голографических моделях

Гао, Джафферис и Уолл показали, что связывание границ конкретной модели анти-де Ситтера может привести к отрицательной усреднённой нулевой энергии и сделать её мост проходимым. Эта конструкция предполагает чётко определённое взаимодействие между двумя сторонами и сохраняет причинность.[20]

Такие модели ценны тем, что позволяют изучать гравитацию и квантовую информацию с помощью взаимодополняющих описаний. Их граничные условия и взаимодействия — часть физики; сами по себе они не дают способа открыть короткий путь между удалёнными областями нашей Вселенной.[20]

Что было сделано в эксперименте с квантовым процессором

В 2022 году исследователи реализовали упрощённую квантовую модель, используя цепочку из девяти кубитов, и изучали динамику телепортации, которую интерпретировали с помощью гравитационного описания. Эксперимент изучал предложенную связь между квантовой динамикой и физикой кротовых нор.[21]

«Калтех» ясно объяснил, что в ходе эксперимента настоящую кротовую нору в пространстве-времени не создали. Это была контролируемая квантовая система, а не портал, через который мог бы пройти объект.[22]

Авторы последующих исследований усомнились в том, насколько упрощённая модель убедительно обосновывает гравитационную интерпретацию; первоначальная команда защищала границы эксперимента. Эта дискуссия касается интерпретации модели, а не открытия проходящего туннеля в лаборатории.[23], [24]

Исследователи рассчитывают, как гипотетические геометрии искажают путь распространения света или влияют на излучение окружающего вещества. В некоторых моделях изображение может быть очень похоже на изображение чёрной дыры, если источник и наблюдатель находятся по одну сторону. Свет, приходящий с другой стороны через горловину, может создавать иные световые узоры.[25]

Это предсказания моделей. Чтобы проверка имела смысл, необходимо указать геометрию, источник света и условия наблюдения. Одного необычного яркого кольца недостаточно, чтобы распознать кротовую нору.[25]

Гравитационные волны дают другой способ поиска. Некоторые модели компактных объектов без горизонта событий могут имитировать начальную стадию затухающих колебаний чёрной дыры, но позже отличаться от неё. Если утверждается, что обнаружено такое отличие, его следует тщательно сопоставить с обычными астрофизическими объяснениями, эффектами, создаваемыми детектором, и исходными предположениями каждой модели.[26]

Ни одно подтверждённое наблюдение не установило существование проходимой кротовой норы в пространстве-времени. Исследовать возможный сигнал определённой геометрии или реализовать соответствующие уравнения на процессоре — не то же самое, что обнаружить сам объект в природе.[22]

Убедительное предложение должно объединять несколько составляющих: геометрию пространства-времени, непротиворечивый источник энергии-импульса, способ образования такой конфигурации и описание её реакции на возмущения. Добавление дополнительного типа поля или изменение теории гравитации меняет саму задачу и приводит к новым проверяемым предсказаниям.

Даже проходимое математическое решение не обязательно было бы удобным для путешественника. Важны приливные силы, излучение, размеры горловины и время, необходимое для прохождения. Это отдельные вопросы, не связанные с тем, существует ли такой путь вообще.[5]

Кротовые норы остаются полезными для физики, поскольку заставляют точно формулировать вопросы о геометрии, энергии и информации. Модели временных петель делают то же самое в области причинности: они показывают, какие предположения позволяют предсказывать ход событий и где обычные описания перестают быть надёжными.

Научная фантастика может взять стабильные врата за исходное допущение. Физика спрашивает, что могло бы обосновать такое допущение и какие доказательства позволили бы нам распознать такой объект во Вселенной.

Природа пространства и времени

1. Специальная теория относительности: замедление времени и сокращение длины
2. Общая теория относительности: гравитация как искривлённое пространство-время
3. Квантовая механика: дуализм волн и частиц
4. Квантовая теория поля и Стандартная модель
5. Чёрные дыры и горизонты событий
6. Кротовые норы и путешествия во времени · Вы здесь
7. Тёмная материя: скрытая масса
8. Тёмная энергия: ускоряющееся расширение
9. Гравитационные волны
10. На пути к единой теории