Что такое кротовая нора и существует ли она на самом деле

Одна нога здесь, другая — через тысячи световых лет. 

Если вы смотрели фильм «Интерстеллар» или сериал «Звёздные врата», то наверняка представляли, как шагаете через портал и оказываетесь в другой галактике. Фантастические сюжеты этих произведений построены вокруг кротовых нор — гипотетических туннелей в пространстве-времени, которые могут соединять удалённые уголки Вселенной. 

Но существуют ли они в реальности? И могут ли перемещения из одной точки в другую за секунду воплотиться в жизнь? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно понять, что скрывается за термином «кротовая нора», как её представляют учёные и какие законы природы позволяют — или запрещают — такие путешествия. Давайте разбираться.

Что такое кротовая нора

Кротовая нора, или червоточина, — гипотетический объект, предсказанный общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Если говорить просто, это своего рода туннель или мост между двумя точками в пространстве-времени, который потенциально позволяет перемещаться между ними быстрее, чем по «прямому» пути. 

Чтобы представить, как это работает, вообразите лист бумаги. На нём есть точки A и B, расположенные далеко друг от друга. Если идти от А к В по поверхности листа, путь будет длинным. Но если сложить лист так, чтобы точки оказались рядом, и проткнуть его карандашом, можно попасть из одного места в другое почти мгновенно. Такая дырка — это и есть аналог кротовой норы: она сокращает путь за счёт искривления пространства-времени.

Как изучают кротовые норы

История концепции кротовых нор началась в 1916 году. Тогда австрийский физик Людвиг Фламм, изучая уравнения Эйнштейна, обнаружил, что у чёрных дыр в теории могут быть антиподы — белые дыры. Если первые затягивают в себя всё, что приближается, то вторые, напротив, ничего не могут принять внутрь, но способны выбрасывать материю наружу. Фламм предположил, что чёрные и белые дыры могут быть соединены особым пространственно-временным туннелем — по сути, кротовой норой.

Позже, в 1935 году, Эйнштейн и его коллега Натан Розен математически описали такие структуры и назвали их мостами Эйнштейна — Розена. Но оказалось, что они нестабильны: туннели моментально схлопываются под действием гравитации, не давая пройти даже свету.

Прорыв произошёл в 1980‑х, когда физики задумались: можно ли сделать кротовую нору проходимой? 

Среди них был Кип Торн, консультант фильмов «Контакт» и «Интерстеллар». Вместе с коллегами учёный пришёл к выводу, что такое возможно — только для этого понадобилась бы экзотическая материя с отрицательной энергией. Она может действовать против силы гравитации, влияя на стенки туннеля и удерживая его открытым. Похожие эффекты действительно встречаются в квантовой теории поля, но в настолько мизерных масштабах, что о реальных путешествиях речи не идёт.

Тем не менее идея о том, что кротовые норы можно стабилизировать, привела к тому, что они перестали быть чисто математической абстракцией и теперь рассматриваются как потенциально реальные объекты.

Как ищут кротовые норы — и находят ли

Учёные пока не обнаружили ни одной червоточины, но это не останавливает их поиски. Рассказываем, как наука пытается найти «порталы» в пространстве-времени.

Теоретические модели

В 1999 году физики Лиза Рэндалл и Раман Сандрум предложили модель, в которой наша четырёхмерная Вселенная на самом деле часть большого пятимерного пространства. Гравитация в этой теории частично «растекается» в пятое измерение. И это может объяснить, почему для нас она гораздо слабее остальных взаимодействий — например, ядерных или электромагнитных. Кротовые норы же могут проходить через дополнительное измерение и приобретать там устойчивость благодаря особенностям гравитации и геометрии пространства.

В 2021 году Хуан Мальдасена и Алексей Милехин описали теоретическую модель, в которой кротовая нора может существовать даже в четырёх измерениях и не схлопываться. В расчётах они использовали смесь гравитации, электромагнетизма и особых лёгких частиц — фермионов. Последние создают эффект отрицательной энергии, способной удерживать туннель открытым. 

Пока всё это существует только на уровне формул, но модель показывает, что стабильные кротовые норы не противоречат известным законам физики.

Ещё одно направление связано с так называемыми квантовыми кротовыми норами. С точки зрения физики даже самый «пустой» вакуум на самом деле наполнен мельчайшими колебаниями энергии — это своего рода кипящая пена из виртуальных частиц, которые возникают и исчезают за доли секунды. В этой бурлящей среде, как предполагают учёные, могут время от времени появляться крошечные червоточины — настолько маленькие и краткоживущие, что у нас нет возможности их обнаружить. Но подтвердить это современная наука пока не способна, так что квантовые кротовые норы остаются гипотезой.

Экспериментальные методы

С 2015 года, когда обсерватория LIGO впервые зарегистрировала гравитационные волны, у учёных появился новый инструмент для поиска червоточин. Эти волны возникают, когда сталкиваются два очень массивных тела — например, чёрные дыры или нейтронные звёзды. В теории, если вместо чёрных дыр столкнутся кротовые норы, сигнал будет отличаться. Например, после основного всплеска гравитационных волн может появиться «эхо» — отражение энергии от стенок туннеля. Пока такие сигналы не обнаружены, но улучшение чувствительности детекторов в будущем может изменить ситуацию.

Ещё один метод — анализ реликтового излучения, теплового «эха» Большого взрыва. Если бы кротовые норы существовали в ранней Вселенной (особенно крупные), они могли бы повлиять на распределение материи. Например, создать аномально пустые области среди галактик или оставить следы в виде странных перепадов температуры реликтового излучения. Такие искажения действительно наблюдаются, и их продолжают анализировать как возможные подсказки.

Совсем недавно физики начали использовать квантовые компьютеры, чтобы моделировать поведение кротовых нор в условиях, которые невозможно воспроизвести в лаборатории. В 2022 году команда Google Quantum AI провела эксперимент, в котором удалось передать информацию между частями квантовой системы с помощью эффекта, похожего на телепортацию. Этот процесс напоминал прохождение частицы через крошечную червоточину в искусственной модели пространства-времени. Конечно, это не настоящая кротовая нора, а математическая симуляция, но она помогает немного приблизиться к разгадке.

Что может помешать путешествовать сквозь кротовые норы

Даже если такие туннели существуют, путешествие через них будет сопряжено с экстремальными условиями, которые ставят под вопрос возможность выживания.

Сверхвысокие температуры

В 2023 году учёные смоделировали кротовые норы, через которые активно проходит материя. Выяснилось, что в их «горловине» возникают вихри плазмы, разогретые до миллионов градусов — в тысячи раз горячее, чем ядро Солнца. В таких условиях любой космический корабль испарится ещё до входа в туннель. Более того, при этих температурах могут начаться ядерные реакции, превратив полёт в термоядерную катастрофу.

Отсутствие экзотической материи

По классической теории, описанной выше, для стабилизации кротовых нор нужна экзотическая материя с отрицательной энергией. Проблема в том, что для червоточины размером с яблоко потребовалось бы количество отрицательной энергии, сопоставимое с тем, что Солнце вырабатывает за миллионы лет. Современная наука не знает, как собрать столько экзотической материи. Это делает создание искусственных кротовых нор практически невозможным с текущим уровнем технологий. 

Сложности со временем

По теоретическим моделям, например по модели Рэндалл — Сандрум, полёт через кротовую нору может занять у пассажира всего несколько секунд. Но для внешнего наблюдателя это может выглядеть как 10 тысяч лет. Всё из-за эффектов, связанных с движением на скоростях, близких к скорости света: для путешественника время идёт медленнее — как в «Интерстелларе».

В итоге вы вернётесь в будущее, где знакомых планет и цивилизаций может уже не существовать.

Ещё один риск — временные парадоксы. Например, если кто-то смог бы вернуться в прошлое и повлиять на собственное рождение, это нарушило бы причинность. По теории Стивена Хокинга, чтобы этого избежать, в природе действует «хронологическая цензура»: законы, которые не позволяют кротовым норам превращаться в машины времени.

Околосветовая скорость

Чтобы преодолеть гравитацию червоточины, корабль должен разогнаться до скорости, близкой к световой. Это создаст огромные перегрузки, превышающие силу тяжести на Земле в десятки раз. Даже опытный астронавт потеряет сознание при таких условиях. И это не говоря о том, что корпус корабля должен быть сделан из материалов, которых пока не существует.

Что в итоге

Кротовые норы остаются одной из самых захватывающих загадок современной физики. С одной стороны, они предсказаны уравнениями Эйнштейна и могут существовать в рамках квантовых теорий. С другой — их обнаружение и использование кажется почти невозможным из-за экстремальных условий.

Но сам факт, что наука серьёзно рассматривает такие объекты, уже меняет наше понимание Вселенной. Изучение червоточин помогает развивать науку, исследовать природу времени и свойства материи. Даже если «космические порталы» так и останутся гипотезой, их математические модели служат мостом между общей теорией относительности и квантовой механикой — двумя столпами современной физики.

Возможно, в будущем новые технологии — квантовые компьютеры, гравитационные телескопы или эксперименты с экзотической материей — прольют свет на эту тайну. Но пока кротовые норы напоминают нам, как много ещё не изведанного скрывает космос, и вдохновляют учёных искать ответы за пределами привычной реальности.

Что ещё почитать🤔Кто такой «кот Шрёдингера» и где эта концепция применяется в реальной жизниЧто такое золотое сечение и правда ли оно повсюдуТехнологическая сингулярность: правда ли, что скоро технологии выйдут из-под нашего контроля