Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

Поразительно, что экзотическая материя — благодаря странностям законов квантовой физики — может существовать в действительности. Небольшие ее количества даже можно получить в лабораторных условиях, между двух близко расположенных электропроводящих пластин. Это называется эффектом Казимира. Однако в 1985 году мне было совершенно непонятно, может ли червоточина содержать достаточно экзотической материи, чтобы оставаться открытой. Поэтому я сделал две вещи.

Во-первых, я написал Карлу письмо, где предложил отправить Элинор Эрроуэй на Вегу с помощью червоточины, а не черной дыры. К письму я приложил копию вычислений, показывающих, что эта червоточина должна быть пронизана экзотической материей. Карл принял мое предложение (и упомянул о моих расчетах в «Благодарностях» к роману). Так червоточины и проникли в современную научную фантастику — в книги, фильмы и на телевидение.

Во-вторых, я в соавторстве со своими студентами, Марком Моррисом и Улви Яртсевером, опубликовал пару научных статей о проходимых червоточинах. В этих статьях мы предложили нашим коллегам выяснить, допускают ли квантовые и релятивистские законы возможность (для высокоразвитой цивилизации) поместить в червоточину достаточно экзотической материи, чтобы червоточина оставалась открытой. Это дало толчок для всевозможных исследований многих физиков, однако и сегодня, почти тридцать лет спустя, ответ все еще не найден. Многое указывает на то, что ответ отрицательный и проходимых червоточин не может быть. Но мы все еще далеки от окончательного решения. Подробнее об этом рассказано в книге Аллена Эверетта и Томаса Романа «Путешествия во времени и варп-двигатели» [Everett, Roman 2012]. 

Как выглядит проходимая червоточина

Как выглядит проходимая червоточина для нас с вами, для людей этой Вселенной? Я не могу ответить наверняка. Если червоточину возможно удерживать открытой, точный способ это сделать остается загадкой, поэтому про форму червоточины ничего определенного не скажешь. Другое дело черная дыра. Ее свойства описал Рой Керр, поэтому я и могу сказать о ее виде что-то конкретное (см. главу 8).

Что же касается червоточин, я могу лишь строить обоснованные предположения. Поэтому в заголовке этого параграфа стоит значок ОГР.

Представьте, что здесь, у нас, на Земле, есть червоточина, которая тянется через балк от Графтон-стрит в Дублине, Ирландия, до пустыни в Южной Калифорнии. Длина пути через червоточину может составить несколько метров.

Вход в червоточину называется устьем. И вот вы сидите в придорожном кафе неподалеку от дублинского устья, а я стою напротив устья в калифорнийской пустыне. Оба устья напоминают хрустальные шары: глядя в калифорнийское устье, я вижу искаженное изображение Графтон-стрит (рис. 14.6). Это изображение сформировано лучами света, прошедшими через червоточину из Дублина в Калифорнию, подобно тому как свет передается по оптоволокну. А вы, посмотрев в дублинское устье, увидите искаженное изображение зарослей гигантской юкки в калифорнийской пустыне.

Рис. 14.6. Изображения, видимые через устья червоточины (Слева — работа Кэтрин Макбрайд, справа — Марка Интерранте.) 

Могут ли червоточины возникать естественным путем

В «Интерстеллар» Купер говорит: «Червоточины не возникают естественным образом», и я полностью с ним согласен! Если проходимые червоточины и допустимы с точки зрения законов физики, я считаю их естественное возникновение в реальной Вселенной крайне маловероятным. Впрочем, это мое мнение является лишь чуть большим, чем домысел, это даже не обоснованное предположение. Быть может, это, так сказать, обоснованный домысел, но все-таки домысел, поэтому я пометил этот параграф символом

Почему же я не верю в естественные червоточины?

Нам неизвестны объекты в нашей Вселенной, которые, старея, становятся червоточинами. С черными дырами все наоборот — астрономы наблюдают множество массивных звезд, которые, когда иссякнет их ядерное топливо, коллапсируют с образованием черных дыр.

Рис. 14.7. Квантовая пена (Рисунок Мэтта Зимета по моему наброску; из [Торн 2009].) 

С другой стороны, есть причины надеяться, что естественные червоточины существуют на субмикроскопическом уровне в виде так называемой квантовой пены (рис. 14.7). Эта пена — гипотетическая сеть червоточин, беспрерывно появляющихся и исчезающих в соответствии с малоизученными законами квантовой гравитации (см. главу 26). Это вероятностная пена: в любой момент существует определенная вероятность, что пена имеет некоторую форму, и одновременно с этим существует вероятность, что пена имеет другую форму, и эти вероятности непрерывно изменяются. Масштабы этой пены действительно крошечные: типичная длина червоточины равна планковской длине, 0,000000000000000000000000000000001 доле сантиметра — сотая от миллиардной от миллиардной от размера атомного ядра. Меньше некуда!

Еще в пятидесятых Джон Уилер привел убедительные доводы в пользу существования квантовой пены, однако сейчас появились основания считать, что законы квантовой гравитации могут «гасить» пену и даже препятствовать ее возникновению.

Если квантовая пена существует, то есть шанс, что в результате какого-то естественного процесса некоторые из микроскопических червоточин могут самопроизвольно разрастаться до человеческих или больших масштабов и что это происходило даже во время невероятно быстрого «инфляционного» расширения Вселенной — когда Вселенная была очень-очень юна.

Однако нам, физикам, неизвестны какие-либо доказательства или хотя бы намеки на то, что такое естественное разрастание когда-либо происходило или в принципе может происходить.

Есть еще одна слабая надежда на естественное образование червоточин. Возможно, хоть и очень маловероятно, что проходимые червоточины могли образоваться при Большом взрыве, в котором возникла Вселенная. Возможно это по той простой причине, что мы совершенно не понимаем природы Большого взрыва, а маловероятно — поскольку никакие имеющиеся у нас сведения о Большом взрыве не намекают на образование проходимых червоточин. 

Может ли сверхразвитая цивилизация создавать червоточины

Единственное, на что я уповаю касательно создания проходимых червоточин, — это вмешательство сверхразвитой цивилизации. Которой, однако, придется для этого преодолеть воистину грандиозные препятствия, так что я настроен пессимистично.

Один из способов создать червоточину — это извлечь ее из квантовой пены (если эта пена существует), увеличить до человеческих масштабов или больше и ввести в нее экзотическую материю, которая будет удерживать червоточину открытой. Сложновато даже для сверхразвитой цивилизации, хотя, возможно, нам так кажется лишь потому, что мы не знаем законов квантовой гравитации, управляющих пеной, извлечением червоточины и ее увеличением (см. главу 26). И, конечно, ясного представления об экзотической материи у нас тоже нет. На первый взгляд, создать червоточину несложно (рис. 14.8). Просто берешь и продавливаешь часть нашей браны (Вселенной) вниз в балк и получаешь вмятину, потом загибаешь брану в балке, протыкаешь в ней, точно под вмятиной, дырку, протыкаешь другую дырку на дне вмятины и наконец сшиваешь края дырок. Делов-то!

Рис. 14.8. Создание червоточины (Рисунок Мэтта Зимета по моему наброску; из [Тор 2009].) Рис. 14.9. Ромилли рассказывает о червоточинах. Слева: он сгибает лист бумаги. Справа: втыкает карандаш (червоточину) в лист, соединяя две дырки (Кадры из «Интерстеллар», с разрешения «Уорнер Бразерс».) 

В «Интерстеллар» Ромилли иллюстрирует этот процесс с помощью листа бумаги и карандаша (рис. 14.9). Какими бы примитивными ни казались эти забавы с карандашом и бумагой, все становится куда серьезней, если лист — это наша брана, а продемонстрированные манипуляции нужно производить из нашей браны усилиями обитающей в ней цивилизации. Говоря начистоту, я понятия не имею, как выполнить все эти операции из нашей браны. За исключением самой первой — создания вмятины (для этого нужно лишь плотное тело значительной массы, например нейтронная звезда). Что касается «дырки», то если проделать ее в нашей бране вообще возможно, это потребует применения законов квантовой гравитации. Теория относительности Эйнштейна не допускает разрывов в бране, так что единственный выход — разорвать брану там, где релятивистские законы не действуют, на почти неизведанной нами территории квантовой гравитации (рис. 3.2). 

Подводя итоги