Черные дыры и кротовые норы давно стали привычным атрибутом многих фантастических фильмов и сериалов, в которых космические путешественники используют их для мгновенных перемещений по Вселенной. Что такое черные дыры и кротовые норы, насколько правдоподобны путешествия сквозь время и пространство? Какую невероятную правду показывают в фантастических фильмах?
Черной дырой физики называют область пространства-времени со столь сильной гравитацией, что никакая материя, энергия или информация (включая свет) не может покинуть данную область, однажды в нее попав. Черная дыра ограничена в пространстве горизонтом событий: границей черной дыры, за пределы которой не может вырваться никакой объект или излучение. Таким образом, наблюдатели, находящиеся вне черной дыры, не могут получить никакой информации о том, что делается внутри нее.
Согласно общей теории относительности, геометрия черных дыр описывается уравнениями Эйнштейна, связывающими между собой метрику искривленного пространства-времени со свойствами заполняющей его материи, а гравитация – это проявление кривизны пространства-времени, сообщил профессор Учебно-научного института гравитации и космологии Российского университета дружбы народов (РУДН) Кирилл Бронников.
"Ученые теоретически описали много разновидностей черных дыр. Они различаются наличием или отсутствием вращения, электрического заряда и других возможных параметров. Считается, что черные дыры могут возникать при сжатии достаточно массивных звезд на конечной стадии их эволюции или при флуктуациях сверхплотной материи в ранней Вселенной", - рассказал он.
По его словам, увидеть черную дыру нельзя, так как внешний наблюдатель не может получать какую-либо информацию напрямую с горизонта событий. Поэтому черная дыра может проявлять себя лишь косвенно — по искривлению проходящих рядом лучей света, по электромагнитному излучению от падающей в нее окружающей материи, и т.д.
Ученым до сих пор непонятно, что представляют собой внутренние области черных дыр, скрытые под горизонтом событий. Согласно большинству моделей черных дыр в общей теории относительности, в них должны быть "сингулярности" – точки, линии или поверхности с бесконечно большими значениями кривизны пространства-времени, а также плотности и давления вещества. Однако многие исследователи считают, что в реальности этого быть не может.
"Здесь мы сталкиваемся с границей применимости наших классических представлений о пространстве-времени и вступаем в неизведанную область не построенной пока еще квантовой теории гравитации", - отметил Кирилл Бронников. Он рассказал о возможности существования еще одного вида черной дыры – так называемой "черной вселенной". Со стороны она может выглядеть как любая другая черная дыра. Однако проникший внутрь нее наблюдатель, пересекая горизонт событий, попадает не в сингулярность, а в новую расширяющуюся вселенную.
В поисках черных дыр
В начале 2019 года завершилась наблюдательная программа наземно-космического интерферометра "Радиоастрон", с разрешением в несколько тысяч раз выше, чем у знаменитого космического телескопа "Хаббл". "Радиоастрон" - это несколько десятков мощнейших наземных радиотелескопов и космическая обсерватория, соединенные при помощи специальных алгоритмов в виртуальную "тарелку" диаметром значительно больше нашей планеты.
"Радиоастрон" позволил российским астрономам обнаружить четкие наблюдательные указания на существование в центре галактики OJ287 в созвездии Рака пары сверхмассивных черных дыр, которые вращаются на небольшом расстоянии друг от друга, сообщил руководитель лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной Московского физико-технического института (МФТИ) Юрий Ковалев.
"Наши наблюдения хорошо соответствуют предсказаниям модели двойной черной дыры в OJ287. В будущем, с помощью наземно-космического интерферометра "Миллиметрон", мы планируем изучать на более коротких длинах волн тени и окрестности черных дыр в нашей и других галактиках. Это также поможет проверить теоретические представления о существовании других объектов - "кротовых нор"", - рассказал он.
Тоннели в другие измерения
"Кротовые норы" (английский эквивалент названия – wormholes, или червоточины) – самые интригующие объекты Вселенной, о существовании которых спорят ученые. Это конфигурации пространства-времени в виде своеобразных тоннелей между удаленными областями нашей Вселенной или даже между разными вселенными. "Кротовые норы родственны черным дырам, поскольку представляют собой локализованные объекты с достаточно сильной гравитацией и кривизной пространства. Но, в отличие от черных дыр, они не имеют "ловушки" - горизонта событий, потому теоретически допускают не только "вход", но и "выход". То есть, их можно пройти насквозь и вернуться", - рассказал профессор Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Сергей Рубин.
Несмотря на то, что кротовые норы не противоречат общей теории относительности и предсказываются некоторыми космологическим теориями, реальные кандидаты на роль таких объектов до сих пор неизвестны. Кроме того, кротовые норы подразумевают весьма нетипичную геометрию пространства-времени, для поддержания которой требуется материя с экзотическими свойствами (например, с отрицательной плотностью энергии).
"Открытие кротовых нор в природе или их создание в лаборатории означало бы настоящий переворот в физике пространства-времени", - подчеркнул ученый. Сергей Рубин не разделяет уверенности астронома Хайно Фальке в том, что недавние снимки "тени" черной дыры в центре галактики М87, полученные в проекте Event Horizons Telescope, могут подтверждать существование тоннелей в структуре пространства-времени. Для окончательных выводов не хватает точности измерений. Вместе с тем, теоретические представления об этих объектах помогают ученым глубже понять природу пространства-времени и гравитации.
Как пролезть в кротовую нору?
Не все фантастические фильмы о тоннелях в другие измерения далеки от современных научных теорий, считает профессор Балтийского федерального университета имени И. Канта (БФУ) Артем Юров. "В фильме "Интерстеллар" сведения о чёрных дырах и дополнительных пространствах соответствуют научным представлениям. Это не удивительно, ведь научным консультантом фильма был нобелевский лауреат, специалист в области физики черных дыр Кип Торн. Именно он вдохнул новую жизнь в идеи о существования кротовых нор", - рассказал он.
По мнению Артема Юрова, хотя кротовые норы и разрешены законами физики, они не могут возникнуть сами. Однако их могла бы построить чрезвычайно развитая в техническом и научном плане цивилизация. "Этому не надо удивляться, в конце концов, автомобиль Тойота тоже не может появиться спонтанно, даже если ждать десятки миллиардов лет — его надо сделать", - считает он.
Сегодня физики думают о возможности образования кротовых нор, которые не распадаются быстро, а также о том, как сделать их достаточно большими для того, чтобы там поместились и не разрушились хотя бы молекулы.
"Гипотетически возможно отправить геном человека через кротовую нору. Согласно расчетам, существуют и воронки в дополнительные измерения, но они пока совсем маленькие, 10 в минус 31 степени сантиметров", – рассказал Сергей Рубин.
По мнению ученого, через кротовую нору гипотетически возможно в будущем переслать человечество из умирающей Вселенной в другую, только начинающую жить. Для этого необязательно посылать туда человека физически – можно отправить туда информацию, на основе которой в новой Вселенной наша цивилизация восстановится самостоятельно.
