Сайт Александра Шацкого

КРОТОВЫЕ НОРЫ: что это – миф, врата в другие миры или математическая абстракция?
Кому выгодны слухи о том, что американцы не высаживались на Луну
Глобальное потепление – миф, или реальность?

Александр Шацкий, доктор физико-математических наук

Данный текст является моей книгой по астрофизике о кротовых норах и черных дырах (и не только). Я постарался сделать книгу понятной для максимально-широкого круга читателей. Понимание материала не требует от читателя специального образования, вполне достаточно будет самых общих представлений из курса средней школы и познавательного любопытства. Текст не содержит формул и не содержит сложных понятий. Для упрощения понимания я старался, где можно, использовать поясняющие иллюстрации и видеоролики. Если какой-то из разделов книги покажется читателю скучным или непонятным, то при чтении его можно будет пропустить без особого ущерба для понимания.


Книга состоит из разделов:
  1. Что принято называть "Кротовой норой" в астрофизике
  2. Туннель из кривизны? Кривизны чего?
  3. Приливные силы
  4. Какие условия необходимы для существования кротовых нор
  5. Кротовые норы в альтернативных теориях гравитации
  6. Топология и кротовые норы
  7. Как кротовые норы могли образоваться во Вселенной
  8. Машина времени
  9. Вечный двигатель
  10. Парадокс близнецов
  11. Связь между кротовыми норами и черными дырами
  12. Черно-белые дыры как разновидность кротовых нор
  13. Вращающиеся реальные черные дыры
  14. Падение наблюдателя в черную дыру
  15. Мультивселенная
  16. Как должна выглядеть кротовая нора в мощный телескоп
  17. Интерферометрические наблюдения черных дыр и кротовых нор
  18. Есть-ли техническая возможность построить кротовую нору или создать черную дыру
  19. Устойчивость
  20. Загадки космологии
  21. Первичные черные дыры и астероидная опасность
  22. Послесловие
  1. Что принято называть "Кротовой норой" в астрофизике

    В последние годы в средствах массовой информации появилось много сообщений об открытии учеными неких гипотетических объектов, называемых "кротовыми норами". Более того, проскакивают даже нелепые сообщения о наблюдательном обнаружении таких объектов. Я даже читал в желтой прессе о практическом использовании неких "кротовых нор". К сожалению, большинство этих сообщений очень далеки от истины, более того, даже понятие о таких "кротовых норах" часто не имеет ничего общего с тем, что принято называть "кротовыми норами" в астрофизике.
    Все это побудило меня к популярному (и в то же время достоверному) изложению теории "кротовых нор" в астрофизике. Но обо всем по порядку. Сначала немного истории:
    Научно-обоснованная теория "кротовых нор" зародилось в астрофизике еще в 1935 году вместе с пионерской работой Эйнштейна и Розена. Но в той пионерской работе "кротовая нора" была названа авторами "мостом" между различными частями Вселенной (английский термин "bridge"). Долгое время эта работа не вызывала у астрофизиков большого интереса.
    Но в 90-ые годы прошлого века интерес к таким объектам начал возвращаться. Прежде всего, возвращение интереса было связано с открытием в космологии темной энергии, но почему и какая тут связь я расскажу чуть позже.
    Англоязычным термином, который с 90-ых годов прижился для "кротовых нор" стал "wormhole" (вормхол), но первыми предложили этот термин еще в 1957 году американские астрофизики Мизнер и Уилер (это тот самый Уилер, который считается "отцом" американской водородной бомбы). На русский язык "wormhole" переводится как "червячная дыра". Такой термин не нравился многим русскоговорящим астрофизикам, и в 2004 году было принято решение провести голосование по различным предложенным терминам для таких объектов. Среди предложенных терминов были: "Вормхол", "Кротовая нора", "Кротовина", "Мост", "Нора", "Ручка", "Туннель", "Червоточина". В голосовании участвовали русскоговорящие астрофизики, имеющие научные публикации по этой тематике: Кирилл Бронников, Николай Кардашев, Сергей Красников, Игорь Новиков, Маргарита Сафонова, Сергей Сушков, Александр Шацкий. В результате этого голосования победил термин "кротовая нора" и далее я буду писать этот термин без кавычек.

       Так что же принято называть кротовой норой?

    В астрофизике у кротовых нор есть четкое математическое определение, но здесь (ввиду его сложности) я не буду его приводить, а для неподготовленного читателя я попробую дать определение простыми словами.
       Можно дать разные определения кротовым норам, но общим для всех определений является свойство, согласно которому кротовая нора должна соединять между собой две неискривленных области пространства. Место соединения и называется кротовой норой, а его центральный участок – горловиной кротовой норы. Пространство вблизи горловины кротовой норы достаточно сильно искривлено. Понятия "неискривленный" или "искривлено" здесь требуют детального пояснения. Но я не буду сейчас это пояснять, а читателя прошу потерпеть до следующего раздела, в котором я и поясню суть этих понятий.
       Кротовая нора может соединять либо две разные Вселенные, либо одну и ту же Вселенную в разных частях. В последнем случае расстояние через кротовую нору (между входами в нее) может оказаться короче, чем расстояние между входами, измеренное снаружи (хотя это вовсе и необязательно).
       Далее я буду называть словом "Вселенная" – часть пространства-времени, которое ограничено входами в кротовые норы и в черные дыры, а словом "Мультивселенная" я буду называть все пространство-время, ничем не ограниченное. Далее понятию Мультивселенной будет посвящен отдельный раздел моей книги.
       Строго говоря понятия времени и расстояния в искривленном пространстве-времени перестают быть абсолютными величинами, т.е. такими, какими мы подсознательно всегда привыкли их считать. Но я придаю этим понятиям вполне физический смысл: речь идет о собственном времени, измеряемым наблюдателем, который свободно двигается (без ракетных или каких-либо других двигателей) почти со световой скоростью (теоретики обычно называют его ультрарелятивистским наблюдателем). Очевидно, что технически создать такого наблюдателя практически невозможно, но действуя в духе Эйнштейна мы можем представить себе мысленный эксперимент, в котором наблюдатель оседлал фотон (или другую ультрарелятивистскую частицу) и двигается на нем по кратчайшей траектории (как барон Мюнхаузен на ядре). Тут стоит напомнить, что фотон двигается по кратчайшему пути по определению, такой путь называется в общей теории относительности нулевой геодезической линией. В обычном неискривленном пространстве две точки могут быть соединены только одной нулевой геодезической линией. В случае кротовой норы, соединяющей входы в одной и той же Вселенной, таких путей для фотона может быть как минимум два (и оба кратчайшие, но неравные), причем один из этих путей проходит через кротовую нору, а другой не проходит.
       Ну вот, вроде я и дал упрощенное определение для кротовой норы простыми человеческими словами (без использования математики). Правда стоит оговориться, что кротовые норы, через которые может проходить свет и другая материя в обе стороны называются проходимыми кротовыми норами (далее я буду называть их просто кротовыми норами). Исходя из слова "проходимые" напрашивается вопрос: а есть-ли непроходимые кротовые норы? Да – есть. Это такие объекты, которые внешне (на каждом из входов) являются как-бы черной дырой, но внутри такой черной дыры нет сингулярности (сингулярностью в физике называют бесконечную плотность материи, которая разрывает и уничтожает любую другую материю, попадающую в нее). При этом свойство сингулярности обязательно для обычных черных дыр. А сама черная дыра определяется наличием у неё поверхности (сферы), из под которой наружу не может вырваться даже свет. Такая поверхность называется горизонтом черной дыры (или горизонтом событий).
       Таким образом, материя может попасть внутрь непроходимой кротовой норы, но выйти из нее уже не может (очень похоже на свойство черной дыры). Более того, могут быть еще и полупроходимые кротовые норы, в которых материя или свет может проходить по кротовой норе только в одну сторону, но не может проходить в другую.
  2. Туннель из кривизны? Кривизны чего?

    На первый взгляд кажется весьма привлекательным создание туннеля кротовой норы из кривого пространства. Но задумавшись начинаешь приходить к абсурдным выводам.

    Если вы находитесь в этом туннеле, то какие стенки могут помешать вам вырваться из него в поперечном направлении?

    И из чего эти самые стенки?

    Неужели пустое пространство может помешать нам пройти через них?

    Или оно не пустое?


    Изображение искривления двумерного пространства от стадии неискривленного пространства до стадии двумерной кротовой норы
    Рисунок 1. (оригинальный рисунок автора)
    Схематичное изображение искривления двумерного пространства. Цифрами обозначены последовательные стадии перехода: от стадии неискривленного пространства (1) до стадии двумерной кротовой норы (7).

    Для того чтобы понять это (я даже и не предлагаю это представить) рассмотрим неискривленное гравитацией пространство. Пусть читатель считает, что это обычное пространство, с которым он привык всегда иметь дело, и в котором он живет. Далее такое пространство я буду называть плоским. Возьмем в качестве начала некоторую точку "O" в этом пространстве и проведем вокруг нее окружность – см. фигуру №1 на рисунке 1. Пусть и эта точка, и эта окружность лежат на какой-то плоскости в нашем плоском пространстве. Как всем нам прекрасно известно из школьного курса математики, отношение длины этой окружности к радиусу равно величине 2π, где число π = 3,1415926535..... Более того: отношение изменения длины окружности к соответствующему изменению радиуса также будет равно (далее для краткости будем говорить просто ОТНОШЕНИЕ).
       Теперь поместим в нашу точку "O" некоторое тело с массой M. Если верить теории Эйнштейна и экспериментам (которые неоднократно проводились и на Земле, и в Солнечной системе), то пространство-время вокруг тела искривится и вышеупомянутое ОТНОШЕНИЕ окажется меньше, чем . Причем тем меньше, чем больше масса Mсм. фигуры №2 – 4 на рисунке 1. Это и есть искривление пространства! Но искривляется не только пространство, искривляется также и время, а правильнее говорить, что искривляется все пространство-время, т.к. в теории относительности одно не может существовать без другого – между ними нет четкой границы.

    В какую же сторону оно искривляется?

    – Вниз (под плоскость) или наоборот – вверх?

    Правильный ответ состоит в том, что искривление будет одинаково для любой плоскости, проведенной через точку "O", а направление тут не при чем. Само геометрическое свойство пространства меняется так, что и отношение длины окружности к радиусу меняется также! Некоторые ученые считают, что искривление пространства происходит в направлении нового (четвертого) измерения. Но сама теория относительности не нуждается в дополнительном измерении, ей хватает трех пространственных и одного временного измерения. Обычно временному измерению приписывают индекс нуль, а пространство-время обозначают как 3+1.

    Насколько сильным будет такое искривление?

    Для окружности, которая является экватором нашей Земли, относительное уменьшение ОТНОШЕНИЯ будет 10-9, т.е. для Земли (длина экватора)/(радиус Земли) ≈ 2π (1 - 10-9)!!! Вот такая ничтожно-малая добавка, но современные приборы, основанные на прецезионном измерении времени (специальные атомные часы), способны зарегистрировать изменение темпа времени, связанное с этим ничтожно-малым искривлением пространства-времени у поверхности Земли. А вот для окружности, являющейся экватором Солнца, это уменьшение уже около 10-5 и хотя это тоже очень мало, но современные приборы эту величину измеряют с легкостью и высокой точностью.
       Но в космосе есть и более экзотические объекты, чем просто планеты и звезды. Например пульсары, которые являются нейтронными звездами (состоят из нейтронов). Гравитация на поверхности пульсаров чудовищна, а их средняя плотность материи около 1014г/см3 – невероятно тяжелая материя! Для пульсаров уменьшение этого ОТНОШЕНИЯ уже около 0.1!
       А вот для черных дыр и кротовых нор уменьшение этого ОТНОШЕНИЯ достигает единицы, т.е. само ОТНОШЕНИЕ достигает нуля! Это значит, что при движении в сторону центра длина окружности не меняется вблизи горизонта или горловины. Не меняется также и площадь сферы вокруг черных дыр или кротовых нор. Строго говоря, для таких объектов обычное определение длины уже не годится, но сути это не меняет. Причем для сферически-симметричной кротовой норы ситуация не зависит от направления, с которого мы двигаемся в сторону центра.

    Как это можно себе представить?

    Если мы рассматриваем кротовую нору, то это означает, что мы достигли сферы минимальной площади Smin=4π rmin2 с радиусом горловины rmin. Эта сфера минимальной площади называется горловиной кротовой норы. При дальнейшем движении в том же направлении мы обнаруживаем, что площадь сферы начинает увеличиваться – это означает, что мы проскочили горловину, перешли в другое пространство и двигаемся уже от центра.
    Падение двумерного объекта (круга) на двумерную кротовую нору
    Рисунок 2. (оригинальный рисунок автора)
    Схематичное изображение искривления двумерного пространства в двумерной кротовой норе. Показано падение двумерного объекта (круга) на двумерную кротовую нору.

    А что будет если размеры падающего тела превышают размеры горловины?

    Чтобы ответить на этот вопрос обратимся к двумерной аналогии – см. рисунок 2. Предположим, что тело является двумерной фигурой (некий рисунок, вырезанный из бумаги или другого материала), и этот рисунок скользит по поверхности, которая является воронкой (наподобие той, что мы имеем в ванной при стекании в нее воды). Причем скользит наш рисунок в направлении горловины воронки так, что прижимается к поверхности воронки всей своей поверхностью. Очевидно, что по мере приближения рисунка к горловине кривизна поверхности воронки нарастает, и поверхность рисунка начинает деформироваться в соответствии с формой воронки в данном месте рисунка. Наш рисунок (хоть он и бумажный), так же как и любое физическое тело обладает свойствами упругости, которые препятствуют его деформации. В то же время материал рисунка оказывает физическое воздействие на материал, из которого сделана воронка. Можно сказать, что и воронка, и рисунок воздействуют силами упругости друг на друга. Далее в принципе возможны четыре варианта:
      1. Рисунок деформируется настолько, что проскочит через воронку, при этом он может и разрушиться (разорваться).
      2. Рисунок и воронка деформируются недостаточно, чтобы рисунок проскочил (для этого нужно, чтобы рисунок имел достаточно большие размеры и прочность). Тогда рисунок застрянет в воронке и перекроет ее горловину для других тел.
      3. Рисунок (точнее материал рисунка) разрушит (разорвет) материал воронки, т.е. такая двумерная кротовая нора будет разрушена.
      4. Рисунок проскочит мимо горловины воронки (возможно задев ее при этом своим краем). Но это будет только в том случае, если вы недостаточно точно прицелили ваш рисунок на направление горловины.


    Эти же четыре варианта возможны и для падения трехмерных физических тел в трехмерные кротовые норы. Вот так иллюзорно, на примере игрушечных моделей, я попытался описать кротовую нору в виде туннеля без стенок.
  3. Приливные силы

    В случае трехмерной кротовой норы (в нашем пространстве) силы упругости материала воронки, рассмотренные в предыдущем разделе, заменяются гравитационными приливными силами – это те самые силы, которые вызывают на Земле приливы и отливы под действием гравитации Луны.
       В кротовых норах и черных дырах приливные силы могут достигать чудовищных значений. Они способны разорвать и уничтожить любые предметы или материю, а вблизи сингулярности эти силы вообще становятся бесконечными! Однако мы можем предположить такую модель кротовой норы, в которой приливные силы ограничены и, тем самым, возможно пройти сквозь такую кротовую нору нашему роботу (или даже человеку) без ущерба для него.
    Иллюстрация действия приливных сил
    Рисунок 3. (рисунок взят из доклада Кипа Торна – Нобелевского лауреата по физике 2017г.)
    Слева – иллюстрация действия приливных сил растяжения-сжатия. Справа – иллюстрация действия приливных сил кручения-сдвига.


       Приливные силы, согласно классификации Кипа Торна, бывают трех типов:
       1. Приливные силы растяжения-сжатия
       2. Приливные силы деформации сдвига
       3. Приливные силы деформации кручения
       Хотя последние 2 типа можно свести к одному – см. рисунок 3.
  4. Какие условия необходимы для существования кротовых нор

    В этом разделе я буду говорить о кротовых норах в рамках общей теории относительности, созданной Эйнштейном. Отличия от кротовых нор в других теориях гравитации я рассмотрю в последующем разделе.

    Почему я начал свое рассмотрение именно с теории Эйнштейна?

    На сегодняшний день теория относительности Эйнштейна является самой простой и самой красивой из неопровергнутых теорий гравитации: ни один эксперимент на сегодняшний день не опровергает ее. Результаты всех экспериментов прекрасно с ней согласуются на протяжении 100 лет!!! В то же время теория относительности является математически очень сложной.

    Зачем же такая сложная теория?

    – Потому что все остальные непротиворечивые теории оказываются еще сложнее...
    Инфляционная космология
    Рисунок 4. (рисунок взят из книги А.Д. Линде "Инфляционная космология")
    Слева – модель хаотической инфляционной многоэлементной Вселенной без кротовых нор, справа – тоже, но с кротовыми норами.


       Сегодня модель "хаотической инфляции" является основой современной космологии. Эта модель работает в рамках теории Эйнштейна и предполагает существование (кроме нашей) бесконечного количества других Вселенных, возникающих после "большого взрыва", образуя во время "взрыва" так-называемую "пространственно-временную пену". Первые мгновения во время и после этого "взрыва" и являются основой модели "хаотической инфляции". В эти мгновения могут возникать первичные пространственно-временные туннели (реликтовые кротовые норы), которые, вероятно, сохраняются и после инфляции. Далее эти реликтовые кротовые норы связывают различные районы нашей и других Вселенных – см. рисунок 4. Данная модель была предложена нашим соотечественником Андреем Линде, который сейчас является профессором Стэндфордского университета. Эта модель открывает уникальную возможность исследования многоэлементной Вселенной и обнаружения нового типа объектов – входов в кротовые норы.
       Математическое исследование кротовых нор показывает, что для их существования в рамках теории относительности необходима экзотическая материя. Иногда такую материю называют еще фантомной материей.

    Для чего нужна такая материя?

    Как я написал выше, для существования кривого пространства нужна сильная гравитация. В теории относительности Эйнштейна гравитация и кривое пространство-время существуют неразрывно друг от друга. Без достаточного количества сконцентрированной материи искривленное пространство выпрямляется и энергия этого процесса излучается на бесконечность в виде гравитационных волн.
       Но только лишь сильной гравитации недостаточно для существования кротовой норы – так можно получить только черную дыру и (как следствие этого) горизонт событий. Для того чтобы не дать образоваться горизонту событий черной дыры и нужна фантомная материя. Обычно под экзотической или фантомной материей подразумевают нарушение такой материей энергетических условий. Это уже математическое понятие, но не пугайтесь – я опишу его без математики. Как известно из школьного курса физики, у каждого физического твердого тела есть силы упругости, которые противостоят деформации этого тела (я писал об этом в предыдущем разделе). В более общем случае произвольной материи (жидкость, газ и т.д.) говорят о собственном давлении материи, а точнее о зависимости этого давления от плотности материи. Такую зависимость физики называют уравнением состояния материи.
       Для того, чтобы энергетические условия материи были нарушены необходимо, чтобы сумма давления и плотности энергии была отрицательна (плотность энергии это плотность массы, умноженная на скорость света в квадрате).

    Что это значит?

    Ну, во-первых, если мы рассматриваем положительную массу, то давление такой фантомной материи должно быть отрицательно. А во-вторых, давление фантомной материи по модулю должно быть достаточно большим, чтобы в сумме с плотностью энергии дать отрицательную величину.
       Есть еще более экзотический вариант фантомной материи: когда мы сразу рассматриваем отрицательную плотность массы и тогда давление не играет принципиальной роли.
       А еще более удивительным является тот факт, что в теории относительности плотность материи (энергии) зависят от того, в какой системе отсчета мы их рассматриваем. Для фантомной материи это приводит к тому, что всегда существует такая система отсчета (двигающаяся относительно лабораторной системы почти со скоростью света), в которой плотность фантомной материи становится отрицательной. По этой причине для фантомной материи нет принципиальной разницы: положительна или отрицательна ее плотность.

    А такая материя вообще бывает?

    И тут пришло время вспомнить об открытии темной энергии в космологии (не перепутайте ее с понятием "темной материи" – это совсем другая субстанция). Темную энергию открыли в 90-ых годах прошлого века, а понадобилась она для того чтобы объяснить наблюдаемое ускоренное расширение нашей Вселенной. Да, да – наша Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением.

    Что же заставляет нашу Вселенную ускоряться?


    Вот именно темная энергия и заставляет. По подсчетам она составляет примерно 70% ото всей энергии в нашей Вселенной. После этого астрофизики стали вычислять уравнение состояния для темной энергии. И выяснилось потрясающее открытие: сумма плотности энергии и давления для темной энергии почти равна нулю! Слово ПОЧТИ здесь означает, что погрешность в вычислении сегодня оказывается больше результата (суммы). Т.е. есть шанс, что темная энергия окажется фантомной материей. Справедливости ради нужно сказать, что это практически все, что мы сегодня знаем о свойствах темной энергии...

    К чему это приведет?

    Ну, во-первых, если упомянутая сумма для темной энергии будет отрицательна, то это будет означать существование в природе фантомной материи в космологических масштабах! А во-вторых, это будет означать, что наша Вселенная будет расширяться ускоренно все быстрее и быстрее – до тех пор пока вся материя нашей Вселенной (галактики, звезды, планеты и спутники) не разлетятся друг от друга на бесконечность. Но и этим дело не кончится: в конце концов, и планеты, и все вещество будет разорвано на атомы, а те, в свою очередь, на другие элементарные частицы. И все это разлетится на бесконечность и наступит так-называемый БОЛЬШОЙ РАЗРЫВ (английский термин BIG RIP), а это гибель нашей Вселенной! По разным оценкам это может случиться примерно через 100 миллиардов лет. Но весь этот кошмар будет только в том случае, если темная энергия является фантомной.

    А если нет фантомной материи, то нет и кротовых нор?

    Не совсем так. Дело в том, что для существования кротовой норы достаточно сколь-угодно малого количества фантомной материи – скажем всего 1 миллиграмм (а может и еще меньше). В этом случае остальная часть материи, поддерживающей кротовую нору, должна удовлетворять условию: сумма плотности энергии и давления равна нулю. А в этом ничего необычного уже нет: даже самое обыкновенное электрическое или магнитное поле удовлетворяет этому условию. Да, да – у электромагнитного поля есть давление и оно немалое! Правда это давление не одинаково в разных направлениях от источника поля: в радиальном направлении от источника (вдоль силовых линий) это давление отрицательно, при этом оно равно по модулю положительному давлению в поперечном направлении (вдоль окружностей вокруг заряда) и оно же равно по модулю плотности энергии поля (положительной). Это как раз именно то, что нужно для существования кротовой норы со сколь-угодно малой добавкой фантомной материи. Для космологических кротовых нор удобнее использовать магнитное поле, т.к. больших электрических полей в космосе быть не может (и не обнаружено), поскольку они сразу же были бы скомпенсированы свободными электрическими зарядами. А вот магнитных зарядов в природе не обнаружено, поэтому и значительные магнитные поля в космосе присутствуют у разных объектов. Далее такие кротовые норы с магнитным полем я буду называть магнитными кротовыми норами.

    Но где же взять эту мизерную добавку фантомной материи?

    Для этого есть несколько возможностей. Во-первых, в квантовой теории поля есть эффект, который называется квантовым эффектом Казимира. Суть его в том, что между двумя незаряженными металлическими зеркалами, которые размещены параллельно друг другу возникает притяжение (фактически это и есть отрицательное давление). Причем это притяжение тем сильнее, чем ближе эти зеркала друг к другу. Теоретически можно добиться, что в промежутке между этими зеркалами будут нарушены энергетические условия (т.е. теоретически можно искусственно получить фантомную материю). Практически сегодня это неосуществимо по чисто техническим причинам. Справедливости ради нужно сказать, что сам эффект Казимира исчезает, если зеркала взять не плоской формы, а сферические (одна сфера расположена внутри другой), т.е. этот эффект зависит от формы и топологии зеркал. Но это не главное, главное то, что чисто теоретически в природе могут существовать квантовые поля (а точнее малые, виртуальные поправки к полям), которые представляют собой фантомную материю.
       Но даже если этого нет, то кротовые норы могут существовать в динамической форме (т.е. в изменяющейся со временем виде). Дело тут в том, что обязательное нарушение энергетических условий необходимо только для стационарных кротовых нор (т.е. для таких, которые не меняют своей формы со временем). А для динамических кротовых нор это, оказывается, вовсе и не обязательно. И есть рассчитанные модели таких динамических (и проходимых) кротовых нор. Т.е. можно представить себе магнитную кротовую нору, у которой вместо малой добавки фантомной материи есть некоторая динамика (расширение или наоборот – сжатие).
       Но даже стационарные кротовые норы могут быть без фантомной материи – в этом случае они будут непроходимыми (см. выше). Т.е. на начальном этапе инфляции Вселенной (см. выше) такие реликтовые кротовые норы были динамическими и проходимыми, а со временем они стабилизировались и у них появился горизонт. Но это вовсе не означает, что такие непроходимые кротовые норы превратились в обычные черные дыры – об этом я расскажу чуть позже.
       Все, что я написал в этом разделе не касается вопросов устойчивости кротовых нор (т.е. их стабильного существования), эти вопросы я рассмотрел далее.
       Кроме вышеописанных примеров есть еще ряд возможностей для существования кротовых нор, они будут описаны в следующем разделе.
  5. Кротовые норы в альтернативных теориях гравитации

    Как я уже писал, теория относительности является самой простой, и в тоже время самой красивой из всех непротиворечивых теорий гравитации. Но в то же время ряд косвенных признаков указывают на то, что теория Эйнштейна является только приближенной теорией. Можно сказать, что она является вторым приближением к истине, а первым по-праву является теория Ньютона (классическая механика). При этом теория Эйнштейна как минимум на порядок сложнее, чем теория Ньютона в математическом плане. Что уж тогда говорить о третьем приближении...

    А есть-ли оно вообще – это третье приближение?

    Должно быть, если мы хотим построить единую теорию всех физических явлений. На это указывает (в том числе) и то, что квантовая теория поля и теория относительности не стыкуются и не согласуются друг с другом однозначным образом, хотя обе эти теории правильно описывают явления природы: в микромире – квантовая теория, а в космологии и макромире – теория Эйнштейна. Общей точкой соприкосновения этих двух теорий могла бы быть сингулярность (о которой я писал ранее). Сингулярность возникает во время "большого взрыва" во Вселенной или при образовании черных дыр – внутри них.
       Но попытки объединить эти две теории и построить единую теорию квантовой гравитации до сих пор не увенчались успехом...
       Но построение квантовой гравитации не единственный путь приближения к истине. Теоретики предлагают ряд других альтернативных теорий, которые математически сложнее, чем теория Эйнштейна, но при этом обладают большими возможностями для описания и объяснения наблюдательной космологии. К числу таких теорий я отношу теории типа Калуцы-Клейна, теорию Бранса-Дикке, теорию Рандалла-Сандрума, теорию мира на бране, теорию суперструн, метрические теории с полями кручения и ряд других теорий.

    Какое же отношение эти теории имеют к кротовым норам?

    Дело в том, что во многих альтернативных теориях стационарные кротовые норы могут существовать без нарушения энергетических условий, т.е. без фантомной материи. Более того, в некоторых теориях, например в теории Бранса-Дикке с отрицательным параметром, кротовые норы могут существовать без фантомной энергии, кроме этого в этой теории отсутствует космологическая сингулярность ("большой взрыв"). Вместо "большого взрыва" возникает отскок (стадии расширения нашей Вселенной предшествует стадия сжатия), а сжатие отскоком переходит в расширение Вселенной без достижения сингулярности! Это очень красивая модель безсингулярной космологии, т.к. сингулярность в физике корректно не описывается сегодня ни одной теорией (как я уже писал выше). Кстати сейчас в астрофизике наблюдается целый бум на космологические теории с отскоком, ведь если такие теории окажутся верными, то у теоретиков не будет необходимости в квантовании гравитации (что сегодня представляется очень сложной проблемой).

    Так чем же настолько страшна фантомная материя, что мы не хотим объяснять существование кротовых нор с ее помощью?

    – На этот вопрос я отвечу далее.
       Поэтому для подтверждения гипотезы кротовых нор очень важно углубленное изучение альтернативных теорий гравитации (третье приближение к истине).
  6. Топология и кротовые норы

    Как я писал ранее, кротовые норы могут соединять разные участки одной и той же Вселенной или соединять разные Вселенные. Как ни странно, но второй случай (соединения разных Вселенных) оказывается математически гораздо более простым, чем случай соединения в одной и той же Вселенной. Связано это вот с чем: математически гораздо проще описывать симметричную модель, чем модель с нарушенной симметрией. В случае если кротовая нора соединяет разные Вселенные, то в простейшем случае ее можно сделать сферически-симметричной, т.е. все величины и параметры этой кротовой норы не будут зависеть от направления, а будут зависеть только от радиуса – см. левую часть рисунка 5. В случае же, если мы хотим с помощью кротовой норы соединить разные участки одной и той же Вселенной, то у нас всегда есть выделенное направление – это направление между разными входами в кротовую нору – см. правую часть рисунка 5. Поэтому сделать такую модель независимой от этого направления оказывается невозможно – в лучшем случае такая модель будет иметь осевую симметрию. А осевая симметрия требует гораздо более сложного математического аппарата, чем сферическая симметрия. Иногда в литературе кротовые норы, которые соединяют одну и ту же Вселенную называют рингхолами.
    Слева топология сферы и справа - топология тора
    Рисунок 5. (рисунок взят из интернета)
    Схематичное изображение двух разных топологий кротовых нор: слева – нетривиальная (сложная) топология сферы и справа – нетривиальная топология тора.


       Разница между этими двумя случаями принципиальна! В математике есть целое направление, которое изучает свойства пространства, зависящие только от наличия или отсутствия в нем таких кротовых нор (соединяющих одно и то же пространство). Это направление в математике называется ТОПОЛОГИЯ. Топология изучает свойства пространств разных типов. Чтобы понять это обратимся опять к двумерной аналогии. Для двумерных пространств два основных топологических класса это сфера и тор (бублик). Например стакан (с точки зрения топологии) является сферой, а чашка (с ручкой) – тором.
       Представим себе два предмета, вылепленные из пластилина: обычную чашку с ручкой и блюдце под эту чашку. Без разрывов пластилина и без склейки поверхностей, а только пластичной деформацией пластилина блюдце можно превратить в шар, но никак невозможно превратить в чашку или в бублик. Для чашки наоборот: из-за ее ручки чашку никак невозможно превратить в блюдце или в шар, но можно превратить в бублик. Эти общие свойства блюдца и шара соответствуют их общей топологии — топологии сферы, а общие свойства чашки и бублика — топологии тора. Топологию сферы (блюдце и шар) принято считать тривиальной (простой), а более сложную топологию тора (чашка и бублик) принято считать нетривиальной (сложной), хотя существуют и другие, еще более сложные типы топологии (не только топология тора).
       Для того чтобы лучше понять это, я все-таки дам здесь четкое математическое определение: допустим мы имеем растягивающуюся резинку или нитку, которую мы можем полностью прижать к поверхности нашего двумерного пространства. Пусть эта нитка образует на поверхности нашего пространства замкнутую петлю. Рассмотрим все возможные варианты таких петель в нашем пространстве. Теорема топологии утверждает, что если мы всегда можем стянуть нашу петлю в точку (нигде при этом не отрывая ее от поверхности и не разрывая ее), то такое пространство является топологической сферой со сложной топологией. А если существует петля, которая никак не может быть стянута в точку, то такое пространство является топологическим тором со сложной топологией. В случае с чашкой такая петля всегда есть при обвитии нитки вокруг ручки чашки. Читатель без труда может представить себе два этих простых случая. Другими словами для трехмерного пространства сложная топология соответствует наличию хотя бы одной кротовой норы во Вселенной.
       В случае кротовых нор мы имеем дело уже с трехмерной сферой и трехмерным тором, но теорема топологии при этом сохраняет свою формулировку. И тогда становится понятно, почему кротовые норы, соединяющие входы в одной и той же Вселенной, называются рингхолами (английский термин: ringholes, что переводится как кольцевая дыра). В рингхоле мы всегда можем протянуть нитку через туннель кротовой норы, а концы этой нитки связать вне туннеля, и такая нитка никаким образом (без разрывов) не может быть стянута в точку. Кроме этого у рингхолов еще можно сделать не стягиваемую в точку петлю вокруг самого туннеля, т.е. для рингхолов существуют уже две таких петли – см. правую часть рисунка 5.
       По этому признаку рингхолы обладают сложной топологией тора, а кротовые норы, соединяющие разные Вселенные – сложной топологией сферы – см. левую часть рисунка 5.
       В любом случае для существования любых типов кротовых нор необходима сложная топология, а там где кротовых нор нет топология будет простой.
  7. Как кротовые норы могли образоваться во Вселенной

    Все метрические теории гравитации (и теория Эйнштейна в их числе) утверждают принцип сохранения топологии. Это значит, что если кротовая нора обладает одной топологией, то со временем она не сможет обладать другой. Это также означает, что если пространство не обладает топологией тора, то и потом в этом же пространстве не смогут появиться объекты, обладающие топологией тора.
       Поэтому рингхолы (кротовые норы с топологией тора) не могут появиться в расширяющейся Вселенной и не могут исчезнуть! Т.е. если во время "большого взрыва" топология была нарушена – процесс "большого взрыва" может и не описываться метрической теорией (например теорией Эйнштейна), то в первые мгновения взрыва, в "пространственно-временной пене" могут образоваться рингхолы, которые потом могут превратиться в непроходимые кротовые норы с той же топологией тора, но после этого исчезнуть совсем они уже не смогут. Поэтому такие кротовые норы называют реликтовыми. Со временем реликтовые кротовые норы скорее всего станут непроходимыми, т.к. окружающая их материя при взаимодействии с ними скорее всего разрушит их проходимость – аналогично тому как в двумерии была нарушена проходимость нашей игрушечной кротовой норы (см. пункт 2).
       А вот кротовые норы с топологией сферы в теории Эйнштейна появляться и исчезать могут, правда на строго-топологическом языке это не будет такая же топология сферы, как и для кротовых нор, соединяющих разные Вселенные, но в эти математические дебри здесь я углубляться не буду.
       Как может происходить образование кротовых нор с топологией сферы я могу опять же проиллюстрировать на примере двумерной аналогии – см. фигуры №5 – 7 на рисунке 1. Такие двумерные кротовые норы могут "надуваться" как детский резиновый шарик в любой точке плоской резиновой "Вселенной". При этом в процессе такого "надувания" топология нигде не нарушается – разрывов нигде нет. В трехмерном пространстве (трехмерная сфера) все происходит по аналогии – так же как я рассказывал выше.
  8. Машина времени

    Можно-ли из кротовой норы сделать машину времени?

    Среди литературных произведений можно встретить много разных фантастических романов про машину времени.
       К сожалению, большинство из них является мифами, не имеющими никакого отношения к тому, что принято называть МАШИНОЙ ВРЕМЕНИ в физике.
       Даже среди физиков распространено ЗАБЛУЖДЕНИЕ, заключающееся в том, что возможность "заглянуть в прошлое", или возможность "переместиться в будущее" и есть машина времени.
       Под возможностью "заглянуть в прошлое" в том числе понимают и наблюдения на телескопах (или радиотелескопах), т.к. свет от далеких звёзд в нашей галактике идёт до Земли десятки тысяч лет, а свет от далеких галактик идет до Земли миллионы и миллиарды лет. Поэтому то, что мы наблюдаем на телескопах является наблюдением давно прошедших событий – и это вполне реально, но к машине времени никакого отношения не имеет. С таким же успехом мы можем смотреть свои старые видеозаписи (если они имеются) – это тоже является взглядом в прошлое.
       Что касается перемещения в будущее, то мы перемещаемся туда каждое мгновение, а если мы засыпаем, то просыпаемся уже в будущем...
       Но ни взгляд в прошлое, ни перемещение в будущее не имеет никакого отношения к машине времени. Для существования машины времени необходимо иметь возможность либо влиять на прошлое, либо заглядывать в будущее, оставаясь при этом в настоящем.
       В строгом математическом определении одним из условий (необходимым, но НЕ достаточным) существования машины времени является наличие замкнутых мировых линий материальных тел в ограниченной области пространства. Мировой линией называется траектория тела, нарисованная не в обычном пространстве, а в пространстве-времени (3+1). Причем протяженность этих мировых линий должна иметь макроскопические размеры. Последнее требование связано с тем, что в квантовой физике (в микромире) замкнутые мировые линии частиц являются обычным делом.
       Но квантовый мир это совсем другое дело. В нем, например, существует квантовый туннельный эффект, который позволяет микрочастице проходить через потенциальный барьер (сквозь непрозрачную стенку). Помните героя Иванушку (которого сыграл Александр Абдулов) в фильме Чародеи, где он проходил сквозь стену? Сказка, конечно, но с чисто научной точки зрения вероятность прохождения сквозь стену (квантовое туннелирование) есть и у большого макроскопического тела. Но если мы рассчитаем эту вероятность, то она окажется столь маленькой, что необходимое число попыток (которое равно единице, деленной на эту мизерную вероятность), необходимых для успешного квантового туннелирования есть почти бесконечность. А если более конкретно, то число таких попыток должно превышать число всех элементарных частиц в нашей Вселенной!
       Вот примерно также обстоит дело и с попыткой создания машины времени из квантовой петли – почти невероятно.
       Но мы все же вернемся к вопросу создания машины времени с помощью кротовой норы. Для этого (как я уже сказал) нам потребуются замкнутые мировые линии. Такие замкнутые мировые линии есть, кстати, в некоторых моделях вращающейся Вселенной (решение Гёделя). Есть также мнение, что такие линии могут быть и внутри вращающихся черных дыр (см. далее). А вот для того, чтобы такие линии появились внутри, или рядом с кротовыми норами, необходимо обязательное выполнение двух условий:
       Во-первых, кротовая нора должна быть рингхолом, т.е. соединять разные области одной и той же Вселенной.
       А во-вторых, эта кротовая нора должна достаточно быстро вращаться (в нужном направлении).
       Фраза "достаточно быстро" здесь означает, что скорость движения материи в ней должна быть близка к скорости света.

    И всё?

    – мы сможем путешествовать в прошлое и обратно? На этот вопрос физики сегодня не могут ответить математически-корректно.
       Дело в том, что математическая модель машины времени, которую необходимо рассчитать, настолько сложна, что аналитическое решение для этой модели построить просто невозможно. Более того: сегодня даже нет ни одного аналитического решения для рингхолов – для них найдены только решения в квадратурах (решения в квадратурах это решения, записанные в виде сложных многомерных интегралов), или в виде приближенных численных решений (выполненных на компьютерах). И уж тем более нет решений (ни аналитических, ни численных) для быстро вращающегося рингхола!
       Нельзя сказать, что такие (численные) расчеты сделать невозможно, но сложность этих расчетов даже не сопоставима со сложностью расчетов, которые были сделаны группами ученых, занимающихся поисками гравитационных волн (и успешно их нашедших) – проект LIGO. В той задаче была успешно численно рассчитана геометрия пространства-времени во время слияния двух вращающихся черных дыр (или двух пульсаров, или пульсара с черной дырой) – с последующим образованием более тяжелой вращающейся черной дыры и излучением мощного импульса гравитационных волн. Для решения той задачи было привлечено немало астрофизиков, математиков и программистов, которые являлись лучшими специалистами в своей области. И та задача была решена (под руководством, кстати, Кипа Торна), хоть и ценой очень больших усилий...
       Что касается задачи для расчета машины времени на основе модели вращающегося рингхола, то эта задача является ещё на порядок более сложной – ввиду того, что (в отличие от черной дыры) нет даже аналитического решения для рингхола, а уж для быстро вращающегося рингхола – тем более... Хотя, как я уже сказал, в принципе и эти расчеты сделать можно.
       Учёные выдвинули гипотезу, называемую принципом хронологической цензуры (chronological censorship), согласно которой любые нарушения причинно-следственной связи запрещены. Суть этой гипотезы состоит в том, что любая замкнутая времениподобная кривая в заданном пространстве-времени должна проходить через горизонт событий; либо рассматриваемое пространство-время на бесконечности должно переходить в плоское пространство-время, которое соответствует нашей Вселенной, и которое мы наблюдаем.
       Простыми словами принцип хронологической цензуры можно переформулировать так: в общей теории относительности пространство-время и материя влияют друг на друга, причем влияние материи на пространство-время ослабевает с расстоянием обратно пропорционально квадрату расстояния. Для создания машины времени необходимо определенное движение определенного типа и количества материи, что в совокупности искривит пространство-время и создаст в нем замкнутые мировые линии. Гипотеза хронологической цензуры утверждает, что в машине времени искривление пространства-времени будет иметь нелокальный характер, т.е. влияние материи, создающей замкнутые мировые линии, будет распространяться до бесконечности (по крайней мере по некоторым направлениям пространства). А это, в свою очередь, означает, что необходимо бесконечно много энергии – для того чтобы искривить пространство-время в неограниченном объеме. Поэтому искусственно создать машину времени физически будет невозможно.
       И поэтому в случае выполнения принципа хронологической цензуры для любого наблюдателя нарушения причинно-следственной связи не происходит.
       По этим причинам я бы не советовал читателям верить публикациям, в которых утверждается, что существуют теоретические модели компактной машины времени (компактной – значит ограниченной в пространстве). Математически рассчитанных моделей компактных машин времени (созданных, в том числе, на основе кротовых нор) сегодня не существует! Существуют лишь предпосылки таких математических моделей – игрушечные модели, и на их основании нельзя делать утверждений о возможном существовании машин времени!
       Типичный псевдо-пример псевдо-машины времени (который также можно найти в интернете), основан на якобы существовании замкнутых мировых линий внутри вращающейся (Керровской) черной дыры. В этой псевдо-машине времени замкнутые мировые линии строятся в пространстве-времени с простой топологией, хотя, как будет показано далее, пространство-время вращающейся черной дыры обладает сложной топологией (и связывает разные Вселенные). При этом замкнутые мировые линии в сложной геометрии Керра оказываются возможны только в одном из аналитических продолжений основной геометрии (говоря математическим языком – на одном из листов многолистной геометрии), что ставит под сомнение физичность только этого аналитического продолжения в полной геометрии Керра (см. далее черно-белые дыры).
       Этим и разрешается парадокс в псевдо-машине времени Керра.
       Есть и еще один вариант запрета машины времени даже при существовании в какой-то области пространства-времени замкнутых мировых линий: возможно, что никакое материальное тело никогда и никак не сможет попасть ни на одну из замкнутых мировых линий, т.е. для любого реального тела возможно только пересечение его мировой линии с замкнутыми (нефизичными) мировыми линиями. И никакой двигатель не сможет изменить траекторию (мировую линию) реального тела так, чтобы измененная мировая линия реального тела совпала с одной из замкнутых мировых линий.
       Т.е. машина времени невозможна, иначе мы могли бы вернуться в прошлое и, например, убить там свою бабушку еще до рождения у неё детей, что является явным противоречием в логике. Или другой псевдо-пример: Живут два брата и в их распоряжении есть машина времени. Один из братьев болен – у него порок сердца и дни его сочтены... В принципе сердце второго брата подходит для пересадки первому, но ведь умирать он не хочет... Тогда братья решаются на следующий отчаянный шаг: больной брат у входа в машину времени убивает здорового и забирает у него сердце, потом входит в машину и возвращается назад во времени – к моменту когда оба они еще живы, и говорит брату: вот твое сердце, теперь я могу сделать себе пересадку и тебе не нужно больше умирать ради меня... А что тогда будет с копией больного брата, которого оригинальный больной брат также видит у входа в машину времени? – Бред...
       Поэтому я не верю в возможность существования машин времени даже в будущих точных математических расчетах – вероятно в них появится причина, строго запрещающая их существование. Т.е. возможно получение только петель времени, которые не могут оказывать влияния на наше прошлое. По той-же логической причине, мы не сможем заглянуть в будущее, оставаясь при этом в настоящем. В будущее можно только перенестись целиком и уже невозможно будет из него вернуться, если мы в него уже попали. Иначе будет нарушена причинно-следственная связь между событиями, а на мой взгляд это нереально.
  9. Вечный двигатель

    Можно-ли из кротовой норы сделать вечный двигатель?

    Собственно, сами кротовые норы прямого отношения к вечному двигателю не имеют, а вот с помощью фантомной материи (которая необходима для стационарного существования кротовой норы) в принципе можно создать так называемый вечный двигатель третьего рода.
       Я напомню одно из удивительных свойств фантомной материи (см. выше): всегда существует такая система отсчета (двигающаяся относительно лабораторной системы почти со скоростью света), в которой плотность фантомной материи становится отрицательной. Представим себе тело с отрицательной массой (из фантомной материи). Согласно закону всемирного тяготения это тело будет притягиваться к обычному телу с положительной массой. С другой стороны, обычное тело должно будет отталкиваться от тела с отрицательной массой. Если по модулю массы этих тел одинаковы, то тела будут "гнаться" друг за другом до бесконечности. На этом эффекте и основывается (чисто теоретически) принцип работы вечного двигателя третьего рода. Однако возможность извлечения энергии (для нужд народного хозяйства) из этого принципа на сегодняшний день ни математически, ни физически строго не доказана (хотя такие попытки и были неоднократно предприняты).
       Более того, ученые не верили и не верят в возможность создания вечного двигателя и это является основным аргументом против существования фантомной материи и против кротовых нор... Лично я также не верю в возможность создания вечного двигателя, но допускаю возможность существования в природе некоторых типов фантомной материи.
  10. Парадокс близнецов

    Одной из причин, которая в своё время побудила меня заняться изучением общей теории относительности, была загадка «парадокса близнецов». В попытке разобраться в причинах этого парадокса я понял, что ответ невозможен без глубокого изучения ОТО. Я кратко сформулирую эту загадку (кто-то может быть уже слышал эту формулировку): есть два брата-близнеца, один из которых остается на месте, а второй начинает своё космическое путешествие. Спустя какое-то время второй брат возвращается к первому и они сверяют часы. Поскольку второй брат двигался (относительно первого), то, согласно специальной теории относительности (СТО), азы которой нам известны еще со школьного курса физики, часы второго (двигавшегося) брата идут медленнее, чем часы первого (неподвижного) брата, поэтому первый брат состарится больше, чем второй брат. Но, с другой стороны, согласно СТО, мы можем перейти в систему отсчета второго брата и считать, что покоится второй брат (во время своего путешествия), а первый брат двигается относительно второго. Тогда выходит, что наоборот – второй брат при встрече состарится больше, а не первый. Где же правда? Это и есть формулировка «парадокса близнецов».
       Разгадка «парадокса близнецов» заключается в том, что СТО применима только для инерциальных систем отсчета, т.е. таких, в которых все точки и объекты системы не испытывают перегрузок (ускорений). Тут надо напомнить, что в отличие от скорости, ускорение не является относительной величиной – ускорение абсолютно и одинаково измеримо в любой системе отсчета. Поскольку мы предположили, что в начальный момент оба брата были неподвижны (или двигались равномерно и прямолинейно в некоторой инерциальной системе отсчета), то второй брат во время своего путешествия обязательно должен был испытывать перегрузки (ускорения), а первый брат всё время так и оставался в инерциальной системе отсчета. Поэтому мы не имели права, перейдя в неинерциальную систему второго брата, применять в ней правила СТО. Поэтому вывод СТО с точки зрения первого (неподвижного) брата верен, а с точки зрения второго брата – нет.
       Для того чтобы разобраться в проблеме мы должны научиться переходить из одной системы отсчета в другую без учета их инерциальности. Как раз для этого Эйнштейном и создавалась в своё время ОТО. Однако ОТО достаточно сложна в математическом плане (по сравнению с СТО). Поэтому я не стану углубляться в её понятия, замечу лишь, что в ОТО, так же как и в СТО есть инварианты. Это такие величины, которые не зависят от выбора системы отсчета, или системы координат. Самым главным инвариантом ОТО является элемент интервала, который физически совпадает с элементом собственного времени наблюдателя при его движении без перегрузок (без ускорений). Даже если этот наблюдатель находится в неинерциальной системе отсчета (т.е. испытывает перегрузки), то измеренный им элемент интервала всё равно будет таким же, как и этот же элемент интервала, но измеренный в любой другой системе отсчета (неважно – инерциальной, или нет). Математически-корректно в рамках ОТО, выписывая этот элемент интервала для каждого из братьев-близнецов, мы придём к выводу что первый (неподвижный) брат состарится сильнее, чем второй (двигающийся и иногда ускоряющийся), независимо от того на точку зрения какого из братьев мы встанем.
       Из ОТО мы также можем узнать, что ускорение, или перегрузка эквивалентны силе гравитации (так называемый принцип эквивалентности). Вблизи массивных объектов гравитация сильнее, поэтому на малых орбитах массивных тел можно сильно замедлить старение (снизить темп хода часов). Этот принцип был заложен в сюжет фильма Интерстеллар. Но реально сильное замедление темпа хода часов (как в фильме Интерстеллар) возможно только при движении почти со световыми скоростями. А это, в свою очередь, возможно только вблизи самого горизонта черной дыры. Однако для не вращающейся (или слабо вращающейся) черной дыры радиус ближайшей к черной дыре устойчивой круговой орбиты равен трём гравитационным радиусам, но там невозможно столь сильное замедление времени, какое было показано в фильме Интерстеллар. При этом, если черная дыра вращается экстремально быстро (см. далее), то радиус ближайшей к черной дыре устойчивой круговой орбиты вокруг неё приближается к радиусу горизонта – вот как раз для такого случая сюжет фильма Интерстеллар физически верен.
  11. Связь между кротовыми норами и черными дырами

    Как я писал выше, первые реликтовые кротовые норы, которые могли образоваться во Вселенной после "большого взрыва", могли в итоге оказаться непроходимыми. Т.е. проход через них невозможен. На языке математики это означает, что у кротовой норы появляется "ловушечный горизонт" (trapping horizon), иногда его еще называют пространственно-подобный горизонт видимости. Даже свет не может выйти из под ловушечного горизонта, а другая материя не может тем более.

    А что, горизонты бывают разные?

    – Да, горизонтов в теориях гравитации есть несколько типов, и когда говорят, что у черной дыры есть горизонт, то обычно подразумевают горизонт событий. Скажу более: и у кротовой норы обязательно должен быть горизонт, этот горизонт называется горизонтом видимости и таких горизонтов тоже есть несколько типов. Но я не буду здесь в это углубляться.
       Таким образом, если кротовая нора является непроходимой, то внешне ее практически невозможно отличить от черной дыры. Единственным признаком такой кротовой норы может быть только монопольное магнитное поле (хотя у кротовой норы его может и не быть совсем). Фраза "монопольное поле" означает, что поле выходит прямо из кротовой норы в одном направлении, т.е. поле либо выходит со всех сторон из кротовой норы (как иголки у ёжика), либо со всех сторон входит в неё – см. рисунок 6. У черной дыры существование монопольного магнитного поля запрещено так-называемой теоремой "Об отсутствии волос у черной дыры".
    Магнитная кротовая нора
    Рисунок 6. (оригинальный рисунок автора)
    Магнитная кротовая нора. Жирными, зелеными линиями обозначены линии магнитного поля. Их направление может быть либо вверх, либо вниз (из одной Вселенной – в другую).


       Для электрического монопольного поля такое свойство обычно означает, что внутри поверхности под которую входит (или выходит) поле есть электрический заряд. Но магнитных зарядов в природе не найдено, поэтому если поле на одном из входов входит в кротовую нору, то оно должно выходить из нее на другом входе кротовой норы (или наоборот). Таким образом, можно реализовать интересную концепцию в теоретической физике, эта концепция называется "заряд без заряда". Это означает, что магнитная кротовая нора на каждом из своих входов будет выглядеть как магнитный заряд, но заряды входов противоположные (+ и -) и поэтому суммарный заряд входов кротовой норы равен нулю. На самом деле никаких магнитных зарядов быть не должно, просто внешнее магнитное поле ведет себя так, как будто они есть – см. рисунок 6.
       Для проходимых кротовых нор есть свои характерные особенности, по которым можно отличить их от черных дыр и я напишу об этом в следующем разделе.
       Если кротовая нора является непроходимой, то с помощью фантомной материи ее можно сделать проходимой. А именно: если мы будем "поливать" непроходимую кротовую нору фантомной материей с одного ее входа, то она станет проходимой со стороны противоположного входа, и наоборот. Правда при этом возникает и остается вопрос: как путешественнику (который хочет пройти через непроходимую кротовую нору) сообщить своему помощнику на противоположном от него входе кротовой норы (закрытом от него горизонтом), что он (путешественник) уже около своего входа и пора начинать "поливать" противоположный вход фантомной материей, для того чтобы кротовая нора стала полупроходимой в направлении нужном путешественнику.
       Т.о., чтобы непроходимая кротовая нора стала полностью проходимой, ее нужно "поливать" фантомной материей с обоих ее входов одновременно. Причем фантомной материи должно быть достаточное количество, какое именно – вопрос непростой, ответ на него может дать только точный численный расчет для конкретной модели (такие модели уже рассчитывались ранее в научных публикациях). В астрофизике даже появилось выражение, что фантомная материя настолько ужасна, что растворяет в себе даже черные дыры! Правда справедливости ради стоит сказать, что черная дыра, растворившись, вовсе не обязательно образует кротовую нору.
       Обычная же материя в достаточном количестве наоборот – "запирает" кротовую нору, т.е. делает ее непроходимой. Таким образом, можно сказать, что в этом смысле возможно взаимопревращение черных дыр и кротовых нор.
  12. Черно-белые дыры как разновидность кротовых нор

    Я предполагаю, что до сих пор у читателя создавалось впечатление, что черные дыры являются объектами, из которых ничего и никогда не может выходить наружу (в т.ч. даже свет). Это не совсем верное утверждение.
       Дело в том, что практически во всех черных дырах сингулярность отталкивает материю (и даже свет), когда материя подлетает к сингулярности слишком близко – уже под внутренним горизонтом (Коши) черной дыры. Исключение из этого явления (антигравитации) могли бы составить только так называемые Шварцшильдовские черные дыры, т.е. те, которые не вращаются и у них отсутствует электрический заряд. Но для образования такой Шварцшильдовской черной дыры, для ее образующей материи, нужны такие начальные условия, мера которых есть нуль на множестве всех возможных начальных условий! Другими словами, при образовании любой черной дыры у нее обязательно будет вращение (пусть даже очень маленькое), т.е. черная дыра будет не Шварцшильдовской. Далее я буду называть такие черные дыры реальными. Реальные черные дыры имеют свою классификацию: Керровская (для вращающейся черной дыры), Рейснера-Нордстрема (для заряженной черной дыры) и Керра-Ньюмана (для вращающейся и заряженной черной дыры).
       Топология внутри реальных черных дыр оказывается сложной. Вылететь обратно из под горизонта черной дыры частица уже не сможет – это противоречило бы законам физики в черной дыре. Это приводит к тому, что после попадания под горизонт черной дыры вся материя, частицы, свет выбрасываются сингулярностью в другую Вселенную. В той Вселенной, куда все это вылетает существует белая дыра – из нее-то и вылетает материя (частицы, свет). Причем движение из одной Вселенной в другую всегда возможно лишь в одном направлении: от прошлого – к будущему (в пространстве-времени). Это направление связано с причинно-следственной связью между событиями в любом пространстве-времени. В силу здравого смысла и логики ученые предполагают, что причинно-следственная связь никогда не должна нарушаться.
       У читателя может возникнуть логичный вопрос: а обязательно-ли будет белая дыра в нашей Вселенной – там, где уже есть черная дыра, и откуда могла бы вылетать к нам материя из предыдущей Вселенной? Для специалистов в вопросах топологии черных дыр это непростой вопрос и ответ на него: "не всегда". Но, в принципе, такая ситуация вполне может быть (когда черная дыра в нашей Вселенной одновременно является и белой дырой из другой – предыдущей Вселенной). Ответить на вопрос – какая ситуация является более вероятной (является-ли черная дыра в нашей Вселенной одновременно и белой дырой из предыдущей Вселенной или не является) мы, к сожалению, пока не можем.
       Такие объекты – черно-белые дыры имеют еще и другое название: "динамические кротовые норы". Динамическими они называются, потому, что у них под горизонтом черной дыры всегда есть область (эта область называется T-областью), в которой невозможно создать жесткую систему отсчета, и в которой все частицы или материя находились бы в покое. В T-области материя не просто все время двигается – она двигается все время с переменной скоростью.
       Но между сингулярностью и T-областью в реальных черных дырах всегда еще есть пространство с обычной областью, эта область называется R-областью. В частности, вне черной дыры пространство также обладает свойствами R-области. Отталкивание материи от сингулярности происходит именно во внутренней R-области. Внутри реальной черной дыры находится еще один (внутренний) горизонт, он является границей между T-областью и внутренней R-областью. Этот горизонт называется горизонтом Коши черной дыры. У Шварцшильдовской черной дыры горизонт Коши отсутствует.
    Прохождение частицы через эту черно-белую дыру
    Рисунок 7. (за основу рисунка автором взята диаграмма Картера-Пенроуза для черной дыры Рейснера-Нордстрема)
    На рисунке слева схематически изображено пространство со сложной топологией черно-белой дыры Рейснера-Нордстрема (диаграмма Картера-Пенроуза). Справа показано прохождение частицы через эту черно-белую дыру: вне черной окружности – внешняя R-область, между зеленой и черной окружностями – T-область, под зеленой окружностью – внутренняя R-область и сингулярность.

    По этим причинам невозможно рассчитать и построить единую траекторию частицы, пересекающей черно-белую дыру сразу в обоих Вселенных. Для такого построения приходится разбивать искомую траекторию на два участка и "сшивать" эти участки между собой во внутренней R-области (только там это и возможно сделать) – см. рисунок 7.
       Как я уже писал выше, приливные силы могут разорвать материю прежде, чем она достигнет другой Вселенной. Причем внутри черно-белой дыры максимум приливных сил достигается в точке минимального радиуса (во внутренней R-области). Чем ближе реальная черная дыра по своим свойствам к Шварцшильдовской – тем меньше шансов у материи (или у человека) преодолеть черно-белую дыру без разрушения. Эти свойства реальных черных дыр определяются мерой их вращения (см далее). Поэтому чем больше эта мера вращения – тем меньше будут в такой черной дыре приливные силы в своем максимуме на траектории падения. Более того, как ни парадоксально это звучит, чем тяжелее будет реальная черная дыра – тем меньше будут приливные силы в своем максимуме на траектории падения! Так происходит оттого, что приливные силы являются не просто силами тяготения, а градиентом силы тяготения (т.е. скоростью изменения силы тяготения). Поэтому, чем больше черная дыра – тем медленнее в ней меняются силы тяготения (несмотря на то, что сами силы тяготения могут быть огромными). Следовательно градиент силы тяготения (т.е. приливные силы) будет меньше в более массивных черных дырах. Кроме этого в более массивных черных дырах минимальное расстояние от траектории до сингулярности больше, чем в менее массивных. Например, для черной дыры с массой в несколько миллионов масс нашего Солнца (в центре нашей галактики находится черная дыра с массой ≈ 4.3 миллиона масс Солнца), приливные силы на ее горизонте достаточно малы для того чтобы там мог пролететь человек и, при этом, ничего бы не почувствовал в момент пролета горизонта. А в нашей Вселенной существуют и гораздо-более тяжелые черные дыры – с массой в несколько миллиардов масс Солнца (как, например, в квазаре M87)... Я поясню, что квазарами называются активные (ярко-светящиеся) ядра далеких галактик.
       Поскольку, как я написал, материя или свет все-таки может без разрушения пролететь из одной Вселенной в другую через черно-белую дыру, то такие объекты по-праву можно называть еще одной разновидностью кротовых нор без фантомной материи. Существование в нашей Вселенной черно-белых дыр можно считать уже почти доказанным. Однако в этом вопросе пока не все так гладко: математически известно только "вечное" полное решение для черно-белых дыр – оно изображено на рисунке 7 – это диаграмма Картера-Пенроуза.
       Кстати, одним из изобретателей диаграмм Картера-Пенроуза был тот самый Роджер Пенроуз – лауреат Нобелевской премии по физике в 2020 году.
       Т.о. "вечное" решение для черной дыры это такое решение, которое существует вечно – с самого рождения Вселенной (с момента большого взрыва). И практически непонятно – какое должно быть полное динамическое решение (соответствующее какой-то диаграмме Картера-Пенроуза) для черной дыры, образующейся в результате коллапса звезды (уже после большого взрыва). Понятно пока то, что у любой реальной черной дыры будет не только внешний горизонт, но и внутренний горизонт Коши, понятно также, что сингулярность внутри реальной черной дыры будет отталкивать любую материю под внутренним горизонтом, и понятно также что обратно из черной дыры эта материя вылететь уже не сможет. Но вот что будет с этой материей – до конца пока непонятно. Аналитическое, полное и динамическое решение для черных дыр, родившихся уже после большого взрыва, найдено только для сферически-симмеричных моделей с электрическим зарядом (это расширенное динамическое решение Рейснера-Нордстрема). А вот для вращающихся реальных черных дыр аналитического решения, эволюционирующего во времени, получить невозможно – ввиду его математической сложности. Были попытки расчитать численно динамические решения для сферически-симметричных кротовых нор, образующихся из сгустка фантомной материи в одной Вселенной, с образованием другой Вселенной. Сравнение результатов этих численных расчетов с известным аналитическим динамическим решением для коллапсирующей сферически-симмеричной материи с центральным электрическим зарядом приводит к выводу о возможности образования новой Вселенной (и белой дыры в ней) в результате коллапса материи в реальную вращающуюся черную дыру в нашей Вселенной.
  13. Вращающиеся реальные черные дыры

    Заряженные черные дыры Рейснера-Нордстрема, конечно, очень удобны для исследования, поскольку обладают сложной топологией и при этом сравнительно простым математическим решением (по сравнению с вращающимися черными дырами). Но если заряженные черные дыры это скорее удобная модель чем реальность, то вращающиеся черные дыры – это реальные черные дыры существующие во Вселенной. Более того: только вращающиеся черные дыры и могут существовать, т.к. вероятность того, что черная дыра вообще не будет вращаться практически нулевая. А как я писал выше, вращающиеся черные дыры обладают сложной топологией, т.е. являются черно-белыми дырами (в отличие от невращающихся и незаряженных – Шварцшильдовских).
    Черно-белые дыры как разновидность кротовых нор
    Рисунок 8. (авторская комбинация рисунков из интернета)

         Однако геометрия вращающихся (Керровских) черных дыр оказывается намного сложнее геометрии заряженных и невращающихся черных дыр. Математическое решение для геометрии Керровской черной дыры настолько сложное, что для него уже невозможно аналитически построить диаграмму Картера-Пенроуза. Т.е. в интернете и в литературе вы можете найти диаграммы Картера-Пенроуза для различных объектов (в т.ч. и для вращающихся черных дыр), но большинство из них являются просто нарисованными картинками, а не точно рассчитанными аналитически (или численно) диаграммами. Аналитической диаграммы Картера-Пенроуза для вращающейся черной дыры не существует!
         Тем не менее можно выделить несколько характерных и очень интересных свойств для вращающейся Керровской черной дыры. Одно из них: свойства сингулярности вращающейся черной дыры. Эта сингулярность сосредоточена не в одной точке (как у Шварцшильдовской, или у заряженной черной дыры), а на кольце. Это сингулярное кольцо лежит в экваториальной плоскости геометрии Керра и расположено внутри обоих горизонтов – см. рисунок 9.
         Так же как и в случае со сферически-симметричным решением Рейснера-Нордстрема (для заряженной черной дыры) кольцевая сингулярность Керра отталкивает все частицы, которые падают в черную дыру. Это самая настоящая антигравитация! Но эта антигравитация начинает проявлять себя только под внутренним горизонтом (Коши) вращающейся черной дыры. И тут появляются очень интересные и красивые эффекты: в зависимости от начальных условий для падающей частицы, антигравитация выбрасывает частицу в другую Вселенную либо через сингулярное кольцо, либо без пролета через сингулярное кольцо. Эти два разных случая соответствуют разным Вселенным, в которые выбрасывается частица.
         Геометрическое место точек этого сингулярного кольца соответствует радиальной координате решения, которая оказывается равна нулю на сингулярности... Но при этом длина окружности этого сингулярного кольца, рассчитанная по правилам Римановой геометрии (в теории Эйнштейна) оказывается равной 2πa, где a – параметр черной дыры Керра. Т.е. сингулярность с точки зрения геометрии выглядит как обычная окружность с радиусом a. Этот параметр a характеризует степень вращения черной дыры (наряду с её массой M) и имеет либо размерность расстояния, либо размерность массы – в зависимости от выбранных единиц измерения (см. далее). Этот параметр a также пропорционален угловому моменту вращения черной дыры. Максимально-возможное значение этого параметра a может быть равно массе M, и тогда внутренний горизонт Коши касается внешнего горизонта в такой вырожденной черной дыре. При этом в такой вырожденной черной дыре физическое расстояние между сингулярным кольцом и горизонтами остается конечным и равным a. Быстрее, чем при a=M черная дыра вращаться просто не может, иначе центробежные силы не дали бы возможности гравитации сформировать такую черную дыру. Реально даже этот предел (когда a=M) недостижим – максимальная величина a примерно равна 0.998M.
         Кроме длины окружности (вдоль сингулярности вращающейся черной дыры) ещё можно определить поверхность, содержащую эту сингулярность в качестве экватора (при нулевой радиальной координате). Площадь этой поверхности, рассчитанная по правилам Римановой геометрии (в теории Эйнштейна), оказывается равной 2πa2. Это в два раза меньше, чем площадь сферы с радиусом a. Радиальная координата и у сингулярной окружности, и у нулевой поверхности равны нулю, но это связано исключительно со способом выбора таких координат в геометрии Керра. Фактически площадь нулевой поверхности является площадью круглой двусторонней мембраны с радиусом a.
         Не правда-ли это что-то напоминает? (см. выше). Очень похожим образом ведет себя горловина кротовой норы, только там вместо a было rmin.
    И смысл у нулевой поверхности (мембраны) почти такой же – это горловина черно-белой дыры. Эта мембрана может просто разделять одну и ту же область пространства, а может и являться проходом в другую Вселенную, причем в случае с другой Вселенной (за мембраной черной дыры) возможно появление там замкнутых мировых линий (одного из признаков машины времени).
         Когда на докладах про кротовые норы меня спрашивают: "Как же можно верить в существование кротовых нор, если они влекут за собой возможность существования там замкнутых мировых линий?" – я отвечаю: "В реальных черных дырах также возможно появление замкнутых мировых линий, но ведь черные дыры давно уже признаны существующими, а решение для черной дыры единственно в общей теории относительности...".
         Поэтому отдельные признаки машины времени в теории не могут быть основанием для отказа от этой теории.
         Как я уже писал, в общей теории относительности материя влияет на геометрию пространства-времени и наоборот: в левой части уравнений Эйнштейна стоят геометрические члены, а в правой части – материальные члены. По этой причине мы не можем в произвольном месте произвольно "сшить" две части пространства-времени. Например это касается "сшивки" по разные стороны поверхности мембраны черной дыры Керра. В процессе такой математической "сшивки" на мембране должны быть выполнены условия непрерывности и гладкости компонентов уравнений, а сама "сшивка" при этом может быть выполнена разными способами. И при этих разных способах "сшивки" за мембраной будет определенный "лист" (вариант) математического решения. Какой из этих вариантов математического решения выбрала природа ученым пока неясно.
         Итак, в математическом решении для вращающейся черной дыры Керра вблизи мембраны существуют три варианта:
    – либо за мембраной открывается новая Вселенная с замкнутыми мировыми линиями (1 вариант),
    – либо в этой новой Вселенной существуют отрицательные массы, а замкнутых мировых линий нет (2 вариант),
    – либо сама мембрана является материей с отрицательной массой, которая по модулю порядка массы всей черной дыры (3 вариант).
         При этом для третьего варианта и обход вокруг мембраны в этой внутренней области, и проход через мембрану возвращает нас в одну и ту же внутреннюю область, а новой Вселенной за мембраной нет, также как нет и замкнутых мировых линий.
         И здесь теоретикам приходится выбирать один из трёх вариантов решения...
         Лично мне больше нравятся второй либо третий варианты, поскольку, как оказывается, отрицательные массы не являются чем-то более экзотическим, чем кротовые норы, или черно-белые дыры. Более того: отрицательные массы и фантомная материя в теории не нарушают никаких физических законов, а с их помощью можно даже объяснить вышеупомянутый эффект антигравитации под внутренним горизонтом черной дыры, некоторые эффекты в космологии – например эффект темной энергии (ускоренно расширяющей Вселенную), а также рождение самой Вселенной. Напомню, что переход через черно-белую дыру в другую Вселенную возможен также и без достижения мембраны падающим телом, но это будет уже другая Вселенная, не совпадающая со Вселенной за мембраной черной дыры, в которую тело попадет при переходе через мембрану (в первом, либо втором варианте).
         И вот тут не очевидным образом начинает раскрываться вся красота и сложность нетривиальной топологии в общей теории относительности для черно-белых дыр и кротовых нор...
         Если масса и скорость вращения черной дыры будут достаточно велики, то и сингулярное кольцо внутри неё также будет обладать достаточно большими размерами, поэтому через него (также как через горловину кротовой норы) можно будет пролететь в другую Вселенную без существенного ущерба, причиняемого приливными силами (в первом, либо втором варианте). Независимо от этого в другую Вселенную падающее тело может попасть даже и не долетев до мембраны – это зависит от начальных условий на траектории падающего в черную дыру тела.
  14. Падение наблюдателя в черную дыру


         На докладах по релятивистской астрофизике часто можно услышать вопрос: что произойдет с человеком, падающим в черную дыру?
       Ответ на этот вопрос зависит от множества внешних условий – от того какая это черная дыра, как именно человек в нее падает, каковы свойства окружающей черную дыру материи и т.д.
         На горизонте черной дыры такой, например, как в центре нашего Млечного Пути, приливные силы являются достаточно слабыми – даже в плане воздействия на тело человека. Т.е. при свободном падении человек даже не почувствует момент пролета горизонта, а вот то, что будет с человеком дальше (внутри черной дыры) до недавнего времени оставалось загадкой. Принято было считать, что под внутренним горизонтом Коши приливные силы разорвут тело человека (и вообще любой предмет) даже внутри черной дыры в центре Млечного Пути (с массой ≈ 4.3 млн. масс Солнца и радиусом горизонта ≈ 13 млн. км).
         Например, если человек будет свободно падать в черную дыру головой вверх, то его голова будет ускоряться слабее, чем ноги – возникает разность ускорений. Если мы оценим рост человека примерно как 2 метра, то эта разность ускорений на горизонте черной дыры в центре Млечного Пути для человека оказывается примерно одна десятитысячная часть от ускорения свободного падения у поверхности Земли. Такую маленькую перегрузку человек даже не почувствует. Но по мере падения под горизонт эта перегрузка будет расти. Однако вычисления показывают, что для подавляющего большинства траекторий свободного падения (не лежащих около экваториальной плоскости) эта перегрузка возрастает не больше чем в тысячу раз, и в итоге оказывается не больше ускорения свободного падения у Земли.
         Т.е. для большинства начальных условий приливные силы вдоль траектории остаются достаточно слабыми вплоть до перехода в другую Вселенную. Поэтому чисто теоретически человек может без ущерба для здоровья попасть через черно-белую дыру в центре Млечного Пути в другую Вселенную. Стоит напомнить, что приливные силы на горизонте черной дыры обратно пропорциональны квадрату радиуса черной дыры, т.е. чем больше и массивнее черная дыра – тем меньше будут приливные силы на её горизонте (и наоборот).
         Траектория полета через вращающуюся черно-белую дыру в другую Вселенную будет сложной и витиеватой, т.к. эта траектория уже не будет лежать в одной плоскости, а приливные и гравитационные силы будут закручивать, вращать и деформировать падающее тело. Напомню, что приливные силы черной дыры на самой сингулярности достигают своих максимальных – физически-бесконечных (Планковских) значений. Но детальное описание этих сложных процессов требует отдельного рассмотрения...
    Трёхмерная траектория падения пробной незаряженной частицы в черную дыру Керра
    Рисунок 9. (оригинальный рисунок автора)
    Пример трёхмерной траектории для незаряженной частицы при её свободном падении во вращающуюся черную дыру Керра в координатах (x,y,z), при этом ось z совпадает с осью вращения черной дыры, а параметр вращения черной дыры a=0.98M. Слева – для падения в черную дыру в нашей Вселенной, а справа – после пролета через мембрану в другой Вселенной. Отношение приливных сил в своём максимуме на этой траектории к приливным силам на внешнем горизонте примерно равно 180. Синим цветом изображена сама траектория вплоть до мембраны, серым цветом – проекция траектории на (x,y)-экваториальную плоскость. Красная окружность – это сингулярность, красный круг – это мембрана с нулевой радиальной координатой. Голубая сфера – внутренний горизонт Коши, голубая окружность – место его пересечения с (x,y)-экваториальной плоскостью. Желтая сфера – внешний горизонт черной (или белой) дыры, желтая окружность – место его пересечения с (x,y)-экваториальной плоскостью.


        
         Что же увидит наблюдатель, свободно падающий в черную дыру?
       На этот вопрос можно ответить математически-точно в упрощенном приближении заряженной черно-белой дыры Рейснера-Нордстрема. Эта черно-белая дыра является сферически-симметричной. Рассмотрим радиально падающего наблюдателя и сферическое распределение материи вокруг этой черной дыры.
       Пусть вся окружающая черную дыру материя расположена на симметрично-окружающей черную дыру сфере, которая ближе к черной дыре, чем сам наблюдатель. Пусть эта сфера (с пылевой материей) также свободно падает в черную дыру, соответственно уменьшаясь в размерах со временем.
       Широко распространено заблуждение, что в тот момент когда эта падающая сфера пересечет горизонт черной дыры наблюдатель перестанет ее видеть. Это не всегда так – свободно-падающий наблюдатель будет видеть свободно-падающую сферу всегда – в т.ч. и в момент пересечения сферой внешнего горизонта черной дыры, и в момент пересечения наблюдателем внешнего горизонта, а в случае черно-белой дыры Рейснера-Нордстрема – и в моменты пересечения ими внутреннего горизонта Коши, и в моменты прохождения ими точки минимального радиуса горловины черно-белой дыры.
       Падающий наблюдатель будет видеть падающую материю ВСЕГДА!
       Но свет от этой материи будет достигать наблюдателя либо с красным, либо с фиолетовым смещением, а величина этого смещения будет ограничена.
       Только если наблюдатель покоится относительно черной дыры, то он перестанет видеть падающую материю – после пересечения материей внешнего горизонта черной дыры. При этом такое "исчезновение" материи из поля зрения наблюдателя будет происходить постепенно – интенсивность света от материи будет уменьшаться, а красное смещение света – увеличиваться до бесконечности.
      
    Оригинальное видео автора (из его публикации), иллюстрирующее свободное, радиальное падение пылевой сферы в черно-белую дыру (все пылинки на сфере светятся монохромно-зеленым светом).
       Радиус горизонта Коши этой черно-белой дыры Рейснера-Нордстрема в 2 раза меньше радиуса внешнего горизонта. Наблюдатель также свободно и радиально падает (вслед за этой сферой), но с несколько большего расстояния. При этом изначально зеленые фотоны от пылинок сферы достигают наблюдателя с красным (а потом и с фиолетовым) гравитационным смещением. Если бы наблюдатель оставался неподвижным относительно черно-белой дыры, то после пересечения сферой горизонта видимости красное смещение фотонов для наблюдателя стало бы бесконечным и он не смог бы больше наблюдать эту пылевую сферу. Но благодаря свободному падению наблюдателя, он может видеть сферу все время (если не учитывать сильного красного смещения фотонов) – в т.ч. и моменты пересечения сферой обоих горизонтов, и во время того как сам наблюдатель пересекает эти горизонты, и даже после прохождения сферой горловины этой черно-белой дыры – и выхода пылинок в другую Вселенную. Внизу отображена шкала радиуса для наблюдателя (помеченного жёлтой меткой), ближайшей к наблюдателю точки пылевой оболочки (помеченной зелёной меткой), максимально-удалённой от наблюдателя точки пылевой оболочки, от которой к наблюдателю приходят фотоны (помеченной тонкой белой меткой), а также местоположение горизонта чёрной дыры (красная метка), горизонта Коши (синяя метка) и точки горловины (фиолетовая метка).
  15. Мультивселенная

    Понятие Мультивселенной обычно отождествляется со сложной топологией окружающего нас пространства. Причем, в отличие от понятия «мультиверс» в квантовой физике, имеют в виду достаточно большие масштабы пространства, на которых квантовыми эффектами можно полностью пренебречь.
       Окружающая нас Вселенная состоит как минимум из трех пространственных (длина, ширина, высота) и одного временного измерения, и понятия топологии очевидным образом переносятся на наш мир.
    Как я писал выше, наличие кротовых нор или черно-белых дыр во Вселенной делает топологию Вселенной сложной.
    Так, если две разные Вселенные, обладающие топологией сферы, соединяются между собой кротовой норой (гантель), то результирующая Вселенная также будет обладать сложной топологией сферы. А если две разные части одной Вселенной соединяются между собой кротовой норой (гиря), то такая Вселенная будет обладать сложной топологией тора. Если две разные Вселенные, обладающие топологией сферы, соединяются между собой хотя бы одной кротовой норой, то результирующая Вселенная будет обладать уже сложной топологией. Система Вселенных, соединенных между собой несколькими кротовыми норами, также будет обладать сложной топологией (ещё более сложной).
       При всей своей привлекательности, кротовые норы имеют два существенных недостатка: они нестабильны и их существование требует наличия экзотической (или фантомной) материи. И если их стабильность еще может быть реализована искусственно, то в возможность существования фантомной материи многие ученые просто не верят. Исходя из вышесказанного, может показаться, что без кротовых нор существование Мультивселенной невозможно. Но оказывается, что это не так: для существования Мультивселенной оказывается вполне достаточно существования реальных черных дыр.
       Как я уже говорил, внутри всех черных дыр находится сингулярность — это область, в которой плотность энергии и материи достигает бесконечных значений. Практически во всех черных дырах сингулярность отталкивает материю (и свет), когда та подлетит к ней слишком близко (уже под горизонтом черной дыры). Исключение из этого явления могли бы составить только так называемые Шварцшильдовские черные дыры, то есть те, которые совсем не вращаются и у которых отсутствует электрический заряд. Шварцшильдовская черная дыра обладает простой топологией. Но для образования такой Шварцшильдовской черной дыры, для ее образующей материи нужны такие начальные условия, мера которых есть нуль на множестве всех возможных начальных условий! Другими словами, при образовании любой черной дыры у нее обязательно будет вращение (пусть даже очень маленькое), то есть черная дыра будет не Шварцшильдовской, а реальной черной дырой.
       У Шварцшильдовсой черной дыры сингулярность находится внутри центральной сферы, имеющей бесконечно-малую площадь. У реальной черной дыры сингулярность находится на кольце, которое лежит в экваториальной плоскости под обеими горизонтами черной дыры. Здесь стоит добавить, что, в отличие от Шварцшильдовской, у реальной черной дыры не один, а два горизонта. Причем между этими горизонтами математические признаки пространства и времени меняются местами (хотя это вовсе и не означает, что само пространство и время меняются местами, как считают некоторые ученые).
       Что же будет с частицей, которую отталкивает сингулярность внутри реальной черной дыры (уже под ее внутренним горизонтом)? Вылететь обратно частица уже не сможет: это противоречило бы законам физики и причинности в черной дыре, так как частица уже попала под горизонт событий. Это приводит к тому, что после попадания под внутренний горизонт реальной черной дыры любая материя, частицы, свет выбрасываются сингулярностью в другую Вселенную. Не правда ли, это удивительно? Так происходит потому, что, в отличие от Шварцшильдовских черных дыр, топология внутри реальных черных дыр оказывается сложной. Даже небольшое вращение черной дыры приводит к кардинальному изменению свойств ее топологии! В той Вселенной, куда потом вылетает материя, существует белая дыра — из нее-то все и вылетает. Но на этом все чудеса не кончаются… Дело в том, что в том же самом месте пространства, где есть эта белая дыра, в другой Вселенной, обязательно есть еще и черная дыра. Материя, попавшая в ту черную дыру в другой Вселенной, испытывает аналогичный процесс и вылетает уже в следующую Вселенную и так далее. Причем движение из одной Вселенной в другую всегда возможно лишь в одном направлении — от прошлого к будущему (в пространстве-времени). Это направление связано с причинно-следственной связью между событиями в любом пространстве-времени. В силу здравого смысла и логики ученые предполагают, что причинно-следственная связь никогда не должна нарушаться. Такой объект принято называть черно-белой дырой (в этом смысле кротовую нору можно было бы назвать бело-белой дырой). Это и есть Мультивселенная, которая существует благодаря существованию реальных черных дыр, и для ее существования необязательно существование кротовых нор и фантомной материи.
    Понятие Мультивселенной
    Рисунок 10. (рисунок взят из книги "Интерстеллар" Нобелевского лауреата по физике 2017г. Кипа Торна)
    Понятие Мультивселенной.

    Я предполагаю, что для большинства читателей будет сложно себе представить, чтобы в одной и той же области пространства (внутри одной и той же сферы, имеющей радиус горизонта черной дыры) существовало бы два принципиально-разных объекта: черная и белая дыра. Но математически это доказывается совершенно строго. Читателю я предлагаю представить себе простую модель: вход (и выход) из здания с вращающейся дверью. Эта дверь может вращаться только в одну сторону. Внутри здания вход и выход около этой двери разделены турникетами, пропускающими посетителей только в одном направлении (вход или выход), а вне здания турникетов нет. Представим, что внутри здания эти турникеты делят все здание на 2 части: Вселенная №1 для выхода из здания и Вселенная №3 – для входа в него, а вне здания находится Вселенная №2 – та, в которой мы с вами живем. Внутри здания турникеты также позволяют двигаться только в направлении от №1 к №3. Такая простая модель хорошо иллюстрирует действие черно-белой дыры и объясняет, что вне здания входящие и выходящие посетители могут столкнуться друг с другом, а внутри здания – не могут из-за однонаправленности движения (так же как и частицы материи в соответствующих Вселенных).
       На самом деле явления, которые сопровождают материю при таком выбросе в другую Вселенную, представляют из себя достаточно сложные процессы. Основную роль в них начинают играть гравитационные приливные силы, про которые я писал выше. Однако если материя, попавшая внутрь черной дыры не долетает до сингулярности, то приливные силы, действующие на нее всегда остаются конечными и, тем самым, оказывается принципиально возможным прохождение сквозь такую черно-белую дыру робота (или даже человека) без ущерба для него. Как я объяснил выше, чем больше и массивнее будет черная дыра, тем меньше будут приливные силы в своем максимуме вдоль траектории падающего тела.
       Разумеется, сегодня и в ближайшем будущем не будет технической возможности отправить к черной дыре даже робота, но некоторые физические эффекты и явления, характерные для кротовых нор и черно-белых дыр, обладают настолько уникальными свойствами, что сегодня наблюдательная астрономия вплотную подошла к их обнаружению и, как следствие, открытию таких объектов.
  16. Как должна выглядеть кротовая нора в мощный телескоп

    Как я уже писал, если кротовая нора является непроходимой, то отличить ее от черной дыры будет очень непросто. Зато если она проходима, то через нее можно наблюдать объекты и звезды в другой Вселенной.
       Рассмотрим простейшую (гипотетическую) модель звездного неба: на небе есть достаточно много одинаковых звезд, и все эти звезды равномерно распределены по небесной сфере. Тогда картина этого неба, наблюдаемая через круглое отверстие в одной и той же Вселенной, будет такая, как показано на левой панели рисунка 11. На этой левой панели видно 1 миллион одинаковых, равномерно-распределенных звезд, поэтому изображение кажется почти однородным круглым пятном.
       Если же мы наблюдаем такое же звездное небо (в другой Вселенной) через горловину кротовой норы (из нашей Вселенной), то картина изображений этих звезд будет выглядеть примерно так, как показано на центральной панели рисунка 11.
       На правой панели рисунка 11 – аналогичная предыдущему случаю картина звездного неба другой Вселенной, но наблюдаемая в нашей Вселенной через черно-белую дыру.
       Обратим внимание, что за счет эффектов, называемых в астрофизике гравитационным рассеянием, видимые нам на средней и правой панели рисунка 11 звезды меняют свою яркость (несмотря на то, что все они одинаковые и равномерно-распределены в другой Вселенной) в зависимости от угла (по отношению к направлению на центр кротовой норы), под которым эти звезды видимы нам. Кроме этого, эффекты гравитационного рассеяния изменяют и среднюю плотность звезд вблизи конкретной точки. Причем изменение видимой яркости и средней плотности звезд оказываются связаны друг с другом: произведение видимой яркости на среднюю плотность звезд оказывается константой (не зависящей от угла). Я хочу обратить внимание читателя на то, что видимая через кротовую нору (или черно-белую дыру) яркость звезд меняется не монотонно, а волнами (периодически). И характер этих периодических изменений напрямую связан со свойствами конкретной кротовой норы (или черно-белой дыры). Это является одним из признаков, по которому можно будет не только визуально отличить кротовую нору (или черно-белую дыру) от других объектов, но и определить некоторые ее свойства.
    Как должна выглядеть кротовая нора в мощный телескоп
    Рисунок 11. (оригинальный рисунок автора)
    На левой панели показан участок звездного неба, наблюдаемый через круглое отверстие в одной и той же Вселенной (1 миллион одинаковых, равномерно-распределенных звезд). На средней панели показано звездное небо другой Вселенной, наблюдаемое через статичную кротовую нору (1 миллион разных изображений от 210 069 одинаковых и равномерно-распределенных звезд в другой Вселенной). На правой панели показано звездное небо другой Вселенной, наблюдаемое через черно-белую дыру (1 миллион разных изображений от 58 892 одинаковых и равномерно-распределенных звезд в другой Вселенной). И кротовая нора, и черно-белая дыра в этих модельных изображениях предполагались сферически-симметричными, т.е. кротовая нора с топологией сферы, а черно-белая дыра Рейснера-Нордстрема.

    Кроме этого есть признак, который основан на искажении спектра электромагнитного излучения (например искажение спектра космологических гамма-всплесков) при прохождении электромагнитных волн этого спектра через кротовую нору. Есть и другие – косвенные признаки кротовых нор.
       Однако, справедливости ради, стоит отметить, что все эти признаки оказываются слишком слабыми для современных телескопов и перестают работать, если кротовая нора имеет не достаточно большие размеры и/или удалена от Солнца на космологическое расстояние. При этом астрофизические оценки показывают, что если бы мы имели недалеко от Солнца достаточно-большую кротовую нору, то она (за счет своей гравитации и искривления пространства) уже оказала бы на нас необратимые, трагические последствия (за время существования Солнечной системы), но этого, к счастью, не произошло.
  17. Интерферометрические наблюдения черных дыр и кротовых нор

    Как я уже упомянул, наблюдения многих объектов нашей Вселенной на одиночных телескопах не дают возможности исследовать их структуру ввиду малости угловых размеров этих объектов. Тут, наверное, следует пояснить читателю понятия "угловые размеры" и "угловое разрешение". Как известно, угол полного оборота это 360 угловых градусов (это же 2π ≈ 6.28 радиан), а каждый угловой градус содержит 60 угловых минут, а каждая угловая минута – 60 угловых секунд. Т.е. в полном обороте содержится 1 296 000 угловых секунд. Современные телескопы (в оптическом или в радио диапазонах) могут различить объекты, которые отстоят друг от друга на небе не более чем на 0.1 угловой секунды. Таким образом, лучшее угловое разрешение современных телескопов это примерно 0.1 угловой секунды.
       Много это или мало?
       Для наблюдения крупных деталей планет в Солнечной системе этого углового разрешения обычно достаточно. Для различия звезд в пределах Млечного Пути (нашей галактики) этого тоже обычно достаточно. Но для различия деталей в ближайшей окрестности центральной в нашей галактике черной дыры этого недостаточно.
       Как я уже говорил, масса сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактике примерно 4.3 миллионов масс Солнца, а диаметр ее горизонта примерно 26 миллионов километров. Для сравнения – расстояние от Земли до Солнца примерно равно 150 миллионов километров. Но расстояние от Земли до центральной черной дыры примерно 262 тысячи триллионов километров, а угловой размер диаметра горизонта этой черной дыры оказывается примерно равным 60 миллионных долей угловой секунды (60 микросекунд дуги)! Поэтому о наблюдениях каких-либо деталей вблизи самой границы этой черной дыры с помощью обычных телескопов можно просто забыть... Между тем, это самые большие угловые размеры из всех известных нам сегодня черных дыр. Следующей (из известных) по угловым размерам идет черная дыра в квазаре M87: ее масса примерно в тысячу раз больше массы черной дыры в центре нашей галактики и расстояние до нее тоже примерно в тысячу раз больше, чем до черной дыры в центре нашей галактики. Поэтому угловой размер диаметра ее горизонта примерно равен 40 микросекундам дуги.
       В то же время угловое разрешение современных интерферометров с большой базой в оптическом, инфракрасном и радиодиапазонах приближается к десяти угловым микросекундам, т.е. теоретически с помощью интерферометров мы могли бы наблюдать две вышеописанные черные дыры. Но для того чтобы это сделать ученые сначала должны решить массу технических вопросов и проблем. Чтобы понять – о каких проблемах идет речь я расскажу что такое интерферометр.
       Основная задача интерферометра в астрономии – в наблюдении деталей, между которыми маленькие угловые размеры. Принцип работы интерферометра состоит в том, чтобы два или несколько телескопов объединить в один единый прибор (в группу). Этот прибор должен имитировать работу одного виртуального телескопа с размерами, соответствующими расстоянию между телескопами в группе объединяемых телескопов. Например, если телескопы входят в такую группу и стоят на разных континентах, а среднее расстояние между ними порядка 5 тысяч километров, то совместная работа этой группы может имитировать работу телескопа с размерами 5 тысяч километров!
       При этом очевидны две простые истины:
       1. Угловое разрешение телескопа пропорционально его размерам (т.е. чем больше телескоп, тем меньшие угловые размеры ему доступны для наблюдений).
       2. Технически-невозможно создать единый телескоп с достаточно-большими размерами.
       Отсюда и возникает необходимость в создании интерферометров с большими базами (большими расстояниями между телескопами). Как я уже сказал, угловое разрешение телескопа пропорционально его размерам. С другой стороны, угловое разрешение телескопа обратно пропорционально длине волны, на которой он принимает излучение (т.е. чем больше длина волны, тем хуже будет угловое разрешение – больше будут минимальные угловые размеры, доступные для наблюдений).
       В отличие от обычного телескопа, с помощью которого астрономы могут видеть изображение объекта, интерферометры регистрируют функцию видности объекта. Чтобы из этой функции получить изображение – нужно произвести математическое Фурье-преобразование. Я не буду здесь вдаваться в многочисленные математические детали этого процесса, скажу только что практически целесообразнее оказывается не получать изображение из функции видности интерферометра, а исследовать саму функцию видности. Дело в том, что функция видности является комплексной (сложной) функцией и состоит из двух частей: амплитуды и фазы. Интерферометры, позволяющие получать рекордно-высокое угловое разрешение (порядка нескольких микросекунд дуги), к сожалению могут регистрировать только амплитуду функции видности (английский термин «Correlated Flux Density») и не могут регистрировать фазу функции видности. Насколько при обратном Фурье-преобразовании фаза оказывается важнее амплитуды продемонстрировано на рисунке 12. Можно сказать, что без знания фазы, по одной только амплитуде функции видности, восстановить изображение почти нереально!
       Тем не менее, даже знание одной только амплитуды функции видности может многое прояснить об изображении объекта и его свойствах. А именно: некоторые свойства амплитуды принципиально отличаются для кротовых нор и объектов с обычной топологией.
    Фурье-преобразование для рисунка кота Фурье-преобразование для рисунка автомобиля
    Обмен местами Амплитуды и Фазы в Фурье-преобразованиях для рисунков кота и автомобиля
    Рисунок 12. (оригинальный рисунок автора, за основу которого взяты изображения из интернета кота и автомобиля)
    С помощью Фурье-преобразования из двух фотографий кота и автомобиля находят соответствующие амплитуды и фазы. Затем меняют между собой амплитуды на обеих фотографиях (оставляя их фазы) и делают обратное Фурье-преобразование. В итоге фотография похожа на оригинал там где сохранена её фаза. Эти примеры демонстрирует то, что при восстановлении изображения из его Фурье-образа фаза оказывается важнее амплитуды для восприятия человеком. Однако это не значит, что информации, содержащейся в фазе больше, чем в амплитуде.


       Чтобы понять причины этих отличий в свойствах амплитуды функции видности рассмотрим распространение лучей света от звезды из другой Вселенной. В зависимости от того, как близко направление этих лучей к центру кротовой норы, эти лучи могут пройти в другую Вселенную почти по прямой линии, либо слегка искривившись, либо сделав один (или несколько) оборот вокруг кротовой норы (прежде чем попасть в нашу Вселенную) – см. рисунок 13. Вообще говоря, число таких оборотов вокруг кротовой норы может быть и бесконечным, но чем больше число таких оборотов – тем меньше вероятность этой ситуации.
    Лучи света, проходящие из одной Вселенной в другую через черно-белую дыру
    Рисунок 13. (оригинальный рисунок автора)
    На левой панели показан луч света, проходящий из одной Вселенной в другую через черно-белую дыру. Красный и синий цвета луча означают распространение луча в разных Вселенных (до и после прохождения черно-белой дыры) – см. также рисунок 7. На правой панели показано распространение луча в одной и той же Вселенной, искривление этого луча вызвано гравитацией центральной черной дыры.

    Эта наша звезда в другой Вселенной может быть видна наблюдателем на Земле под немножко разными углами. Эти углы соответствуют разным лучам (про которые я писал) – главному лучу с небольшим полным отклонением от прямой линии, лучу, который отличается от главного на полный оборот, лучу, который отличается от главного на два полных оборота, и так далее... И аналогичная картина будет наблюдаться с противоположного направления от центра кротовой норы. Т.е. мы будем видеть вместо одного изображения звезды из другой Вселенной целую систему парных изображений этой звезды! И что самое главное – первые две пары этих изображений обычно оказываются соизмеримыми по яркости, т.е. их яркость отличается друг от друга не более чем в 10 раз.
       Лучи света, приходящие к нам от звезд в нашей же Вселенной, в принципе также могут образовывать системы парных изображений – если они проходят вблизи черных дыр, но эти изображения никогда не будут соизмеримыми по яркости. И этот важнейший признак позволит отличить изображения от звезд в нашей Вселенной от изображений от звезд из другой Вселенной, видимых нам через кротовую нору или черно-белую дыру!
       На рисунке 14 представлены две модели – верхняя панель рисунка соответствует модели без парных источников, а нижняя панель – модели с парными источниками. Как видно из этого рисунка, амплитуды видимости этих моделей (те, что справа) сильно отличаются друг от друга.
       Основное отличие в амплитудах моделей состоит в том, что амплитуда модели, где нет парных изображений (вверху), затухает по мере удаления от центра, а амплитуда модели с парными изображениями (внизу) колеблется с постоянной амплитудой вдоль одного направления и стремится к постоянной величине в перпендикулярном ему направлении.
       Конечно, на рисунке 14 представлены максимально упрощенные модели, но это их главное СВОЙСТВО (и их главное отличие) сохраняется и для более сложных, реалистичных моделей. Это свойство называется АСИММЕТРИЕЙ модели. Асимметрия в моделях с парными изображениями всегда будет близкой к единице, а асимметрия в моделях без парных изображений всегда будет близкой к нулю.
    Асимметрия Амплитуды Фурье-образа в моделях с парными изображениями
    Рисунок 14. (оригинальный рисунок автора)
    Верхняя панель рисунка соответствует модели без парных источников, а нижняя панель – модели с парными источниками. Слева приведены изображения моделей, а справа – их амплитуды видимостей.

    Для интерферометра его угловое разрешение определяется количеством длин волн, умещающихся на длине базы (расстоянии между телескопами). Поэтому чем короче будет длина волны, на которой работают телескопы, тем лучше будет угловое разрешение. Современная астрономия наблюдает в разных диапазонах длин волн: от радиоизлучения (с длинами волн в десятки метров) до гамма-диапазона (длина волны гамма-квантов меньше размеров атома). Однако самые короткие длины волн, на которых сейчас технически-реально создать интерферометр это оптические, т.е. длина волны в интерферометре должна быть больше примерно одного микрометра. Я напомню, что человек может видеть свет из диапазона длин волн от, примерно, 390 нанометров (это же 0.39 микрометра – фиолетовый) до, примерно, 770 нанометров (это же 0.77 микрометра – красный).
       Однако у слишком коротких длин волн есть свои недостатки: телескопы не могут выделить достаточно узкую полосу из всего принимаемого ими диапазона излучения. Т.е. телескоп принимает сигнал в диапазоне длин волн от λ1 до λ2, поэтому если разность 2 - λ1) лишь немного меньше самой длины волны λ из этого диапазона, то получающаяся интерференционная картина будет размытой. Для того, чтобы картина была четкой необходимо выполнение условия: разность 2 - λ1) должна быть много меньше λ. Это условие: λ2 - λ1 << λ хорошо выполняется для телескопов, работающих в радиодиапазоне (длины волн от миллиметра и больше).
       Современные интерферометры представляют из себя целые комплексы, объединяющие телескопы на разных континентах Земли. Наземно-космический проект Радиоастрон представляет из себя комплекс, объединяющий наземные телескопы и космический телескоп, летающий на орбитах до 189 тысяч километров (я напомню, что радиус Земли примерно равен 6 400 километров)! Радиоастрон работает на сантиметровых длинах волн. С такими базами (расстояниями между телескопами) и длиной волны в 1 сантиметр можно достичь углового разрешения в 10 микросекунд дуги. Как я уже писал, этого уже может быть достаточно для обнаружения высокой асимметрии в интерферометрических наблюдениях компактных объектов типа черной дыры в центре нашей галактики или черной дыры в квазаре M87. Фактически это будет означать возможность обнаружения парных изображений от звезд из другой Вселенной – т.е. возможность обнаружения основного наблюдательного признака кротовой норы или черно-белой дыры. К сожалению, пока еще недостаточно чувствительности у существующих интерферометрических комплексов, но технический прогресс в данном направлении идет очень быстро...
       Кроме проекта Радиоастрон проектируется и планируется наземно-космический проект Миллиметрон, он будет работать в миллиметровом радиодиапазоне. Предполагается, что спутник Миллиметрона будет летать на орбитах порядка миллиона километров от Земли, поэтому данный проект будет иметь еще более высокое угловое разрешение и большую чувствительность.
       Но основная надежда на получение интерференционной картины от черных дыр (или кротовых нор) возлагалась на международный проект "Телескоп горизонта событий" (Eventhorizontelescope.org).
    Изображение тени от черной дыры в квазаре M87 Изображение тени от черной дыры в центре Млечного Пути
    Рисунок 15. (изображения взяты с сайта "Телескоп горизонта событий" Eventhorizontelescope.org)
    Слева изображение тени от черной дыры в квазаре M87, а справа – тени от черной дыры в центре Млечного Пути.

    И эта надежда наконец оправдалась: в 2019 году из наблюдательных интерферометрических данных наконец было синтезировано первое изображение реальной тени от реальной черной дыры в квазаре M87, а в 2022 году – тени от черной дыры в центре Млечного Пути см. рисунок 15. Как я уже писал, масса черной дыры M87 около 4 миллиардов масс нашего Солнца, поэтому ее тень достаточно большая для наблюдения, кроме этого за счет мощного излучения квазара M87 тень черной дыры достаточно контрастна на ярком фоне. А вот синтезировать из наблюдательных данных тень от черной дыры в центре нашего Млечного Пути оказалось гораздо сложнее, даже несмотря на то, что черная дыра в центре нашей галактики почти в 1000 раз ближе черной дыры в M87 (но правда и почти в 1000 раз легче). Квазара в нашей галактике к счастью нет (иначе жизнь на Земле не смогла бы существовать и даже зародиться). Поэтому тень от центральной черной дыры в нашей галактике обладает гораздо меньшей контрастностью, чем M87, кроме этого центр Млечного Пути закрыт от нас плотными слоями газа и пыли, что значительно усложняет его наблюдение – этим и объясняется техническая задержка (почти на 3 года) при синтезе изображения тени от черной дыры в центре Млечного Пути. Наблюдения тени в центре Млечного Пути пришлось вести с помощью сети радиотелескопов с длиной волны около 1 мм.
       Как я писал выше, человеческое зрение не в состоянии различать информацию на изображениях амплитуды функции видности. Зная только амплитуду функции видности, мы до недавнего времени имели единственную возможность определять характеристики изображения – это сравнивать распределение наблюдаемой амплитуды с ее модельными значениями в виде некоторой двумерной функции (зависящей от определенного набора параметров). И выбирать, таким образом, наилучшее модельное изображение, соответствующее определенному набору этих параметров. Такой подход имеет массу недостатков, первым из которых является очень низкая точность распознавания важных деталей на изображении. Поэтому, возможно, решением данной проблемы будет обучение современных глубоких свёрточных нейросетей на изображения амплитуды функции видности.
       Искусственная нейронная сеть — математическая модель, а также её программное или аппаратное воплощение, построенная по принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей — сетей нервных клеток живого организма. Это понятие возникло при изучении процессов, протекающих в мозге, и при попытке смоделировать эти процессы. Практически решаемыми задачами для многих (искусственных) нейросетей являются задачи прогнозирования, аппроксимации, кластеризации, сжатия данных, локализации объектов, разбиение заданного множества объектов на классы (а иногда еще и на подклассы).
       Как показывают теория и эксперименты, нейросеть можно успешно обучить различать практически любые классы изображений (в т.ч. и изображения амплитуд функции видности), и работа такой нейросети не будет уступать по качеству работе человеческого зрения, а скорее даже наоборот – качество работы современных нейросетей даже превосходит человеческое зрение! Возможно в этом прогрессе заложено будущее новой науки: "Нейросетевой астрономии". И возможно, что уже в ближайшие годы с помощью нейросетевой астрономии смогут уже экспериментально открыть черно-белые дыры или кротовые норы...
  18. Есть-ли техническая возможность построить кротовую нору или создать черную дыру

    Как уже было сказано, для образования черных дыр или кротовых нор нужно сильно искривить пространство-время. Пространство-время может быть искривлено только высоко-концентрированной материей, локализованной в пространстве. Например, даже если всё Солнце сжать до размера в 10 километров (диаметр Солнца около миллиона километров), то и этого будет недостаточно для черной дыры – так можно образовать только нейтронную звезду. Я напомню, что средняя плотность нейтронной звезды около 1014г/см3! Это немыслимая для человека плотность материи – это плотность "голого" нейтрона или протона!
       Однако если нейтронную звезду сжать еще примерно в 3 раза, то черная дыра все-таки образуется. Но какую же энергию нужно затратить, чтобы сжать Солнце до этого размера (примерно 10 километров)? Расчеты показывают, что в предположении адиабатичности процесса такого сжатия (при сохранении полной энергии), для преодоления сил внутреннего давления газов Солнца необходима чудовищная энергия: не менее 1039 киловатт-часов!!! Человечество за все время своего существования не выработало и малой доли этой энергии!
       Но может быть до черной дыры можно сжать объекты меньшей массы? Рассчитаем эту энергию для Земли. Начнем с того, что Землю необходимо будет сжать до размера всего в 1 сантиметр! Энергия, которая при этом потребуется, оказывается не менее 1033 киловатт-часов! Если оценить вырабатываемую сегодня всеми электростанциями Земли мощность в 1013 Ватт, то для вырабатывания энергии в 1033 киловатт-часов человечеству потребуется около 1019 лет, это в миллиард раз больше возраста нашей Вселенной!
       Я при этом умалчиваю про чисто технические проблемы, с которыми придется столкнуться при создании столь чудовищных давлений, необходимых для этого сжатия. Однако, если мы хотим создать сверхмассивную черную дыру с массой в миллионы масс Солнца, то больших давлений для этого не потребуется – достаточно будет "отбуксировать" этот миллион звезд типа нашего Солнца к одной точке в одно время, а дальше они сами уже сколлапсируют в черную дыру. Но согласитесь, эта задача выглядит технически не менее сложной, чем предыдущая (по сжатию Земли до размера в 1 сантиметр).
       К сожалению, всё больше лженаучных идей в последнее время появляется даже на уважаемых научных каналах. Например недавно на канале Наука-2.0 была передача, где утверждалось, что с помощью мощного пучка лазерных лучей якобы можно создать первичную черную дыру. Я напомню, что первичные черные дыры начинаются от масс начиная с 1015 грамм, при меньших массах черные дыры не проживут время от своего рождения до наших дней и испарятся раньше (из за излучения Хоукинга). Для того чтобы сконцентрировать энергию лазеров в объеме меньшем размеров самой черной дыры необходима будет длина волны лазера, не превышающая размеров радиуса горизонта создаваемой черной дыры. Тогда для длин волн современных оптических лазеров (в видимом диапазоне света с длиной волны порядка долей микрометра) это будет соответствовать черным дырам с массой около 1024 грамм (это масса порядка 0.001 массы Земли). Соответствующая энергия покоя mc2, необходимая для создания такой черной дыры оказывается порядка 1038 киловатт-часов. Выше я оценил сколько времени потребуется человечеству для вырабатывания такого количества энергии ...
       Но предположим, что авторы этих лженаучных идей захотят использовать лазеры на гораздо более коротких длинах волн (что технически пока также невозможно), тогда будет идти речь о гораздо менее массивных черных дырах. Рассчитаем значения для черных дыр с массой, например, в 1 грамм. Такие квантовые черные дыры из за испарения Хоукинга будут жить всего около 5 минут, а их создание потребует энергии примерно в 1014 киловатт-часов, но тогда размеры таких черных дыр должны быть всего около 10-28 см! Это соответствует длинам волн гамма-квантов с энергией порядка 1033 электронвольт. Самые энергичные гамма-кванты, наблюдаемые сегодня в природе, достигают энергий не более 1022 электронвольт. Поэтому нечего и говорить об искусственной генерации гамма-квантов с энергиями порядка 1033 электронвольт. И уж тем более точная фокусировка таких гамма-квантов на масштабах порядка 10-28 см за короткий промежуток времени, да еще и в когерентном излучении лазера также является абсолютно ненаучной фантастикой.
       Тем не менее, искусственное создание кротовых нор может оказаться технически более простой задачей, чем создание черных дыр. И связано это вот с чем: теоретически, в отличие от черной дыры, кротовая нора может обладать любой массой (положительной, отрицательной и даже нулевой). При этом размеры горловины (входа в кротовую нору) могут быть также любыми (например 1 километр). Поэтому для создания кротовой норы процесс сжатия материи не обязателен (в отличие от черной дыры). Тут гораздо важнее обладать нужным типом фантомной материи. Например, для того чтобы создать кротовую нору с нулевой массой необходимо фантомное скалярное поле с отрицательной плотностью энергии. Это очень экзотическая и очень неустойчивая материя (см. следующий раздел). Физики сходятся во мнении, что такой материи в природе не существует. Но если бы такая материя все же была, то создание кротовых нор представляло бы собой сравнительно несложную техническую задачу...
       А вот то, что касается более реалистичных и более физических моделей магнитных кротовых нор (о которых я писал ранее), то такие кротовые норы обязательно должны обладать положительной массой (причем тем большей, чем больше мы хотим иметь у них размеры горловины), связь размера горловины с массой у магнитной кротовой норы должна быть примерно такая же, как и у черной дыры (с радиусом горизонта событий). Поэтому для создания магнитных кротовых нор все же придется применять процесс сжатия материи – со всеми вытекающими отсюда техническими и энергетическими проблемами.
       В последние годы появились публикации в СМИ, в которых предполагается возможность создания микро черных дыр, кротовых нор и даже машин времени на современных ускорителях (в частности на большом адронном коллайдере). По этому поводу сразу стоит пояснить, что такие объекты не могут быть созданы на ускорителях в рамках общей теории относительности (ОТО), т.к. для этого будет недостаточно всей земной энергии (как я написал выше).
       НО! Существуют обобщенные теории гравитации, в которых искусственное создание черных дыр и т.п. требует гораздо меньших энергий, чем в ОТО. И в таких теориях энергий частиц большого адронного коллайдера, в принципе, было бы достаточно для создания микро черных дыр (энергия частиц в большом адронном коллайдере достигает 14 тераэлектронвольт или 14×1012 электронвольт).
       Однако авторы подобных псевдонаучных идей или не знают, или игнорируют тот факт, что из космоса на Землю каждый день приходят частицы, обладающие в миллионы раз большей энергией – до 1020 электронвольт! При попадании в атмосферу Земли эти частицы сразу распадаются на менее энергичные, а те, в свою очередь, опять распадаются, и так далее... В результате всех этих распадов на поверхность Земли приходит "широкий атмосферный ливень" из частиц, с энергиями, гораздо меньшими энергий большого адронного коллайдера. Эти вторичные частицы, достигающие земной поверхности, успешно регистрируются и изучаются учеными-специалистами в области космических лучей уже многие десятилетия. Если бы была возможность появления среди всех этих космических лучей и частиц микро черных дыр, то мы узнали бы об этом еще задолго до появления первых ускорителей. Но, как известно, этого не произошло... И поэтому ускорители были и останутся для человечества гораздо более безопасными объектами, чем те, которые создала сама природа... Есть, правда, вероятность того, что при образовании такой микро черной дыры (в какой-то обобщенной теории гравитации) эта микро черная дыра почти сразу же распадется на элементарные частицы, но в этом случае это будет уже не тот объект, который мог бы заинтересовать или испугать читателя...
       Исходя из вышесказанного, я полагаю, что в ближайшие 100 лет у человечества не будет технической возможности даже приблизиться к созданию кротовой норы или черной дыры. И уж тем более нереальной кажется мне мысль о создании машины времени. Но при этом я вполне допускаю, что в ближайшие 100 лет кротовые норы могут быть обнаружены в космосе (аналогично обнаруженным нами черным дырам). Кстати, вполне может быть, что некоторые из объектов, которые мы сейчас считаем сверхмассивными черными дырами, могут оказаться на самом деле входами в кротовые норы (проходимыми или непроходимыми). А таких объектов (черных дыр в центрах галактик) сегодня найдены тысячи! Однозначно отличить одно от другого пока технически невозможно.
  19. Устойчивость

    В предыдущем разделе я фантазировал на тему создания черных дыр и кротовых нор. Но если с черными дырами всё более-менее ясно, то с кротовыми норами ситуация оказывается намного сложнее. Оказывается, создать их технически оказывается только половиной дела, а другой половиной оказывается задача по удержанию кротовых нор в равновесии. Да-да, кротовые норы оказывается являются очень неустойчивыми объектами. Они стремятся либо сколлапсировать в черную дыру, либо разлететься вместе со всей своей материей (в том числе и фантомной) на бесконечность. Для того, чтобы удержать их в равновесии придется затратить немало технических усилий.
       На сегодняшний день найдено лишь одно устойчивое решение для кротовой норы (в рамках общей теории относительности). И это решение для устойчивой кротовой норы оказывается математически достаточно сложным (по сравнению с другими – неустойчивыми решениями). Все остальные решения для кротовых нор, которые до сих пор исследовались на устойчивость, оказывались неустойчивыми... Это означает, скорее всего, что в природе такие устойчивые решения вряд ли встречаются, но гипотетически они могут быть реализованы искусственным путем. Хотя я думаю, что с инженерной точки зрения больших проблем не возникнет, если уж человечеству когда-либо удастся создать кротовую нору, то технические проблемы её устойчивости будут гораздо меньшими, чем те проблемы, с которыми столкнутся инженеры в процессе создания этой кротовой норы.
  20. Загадки космологии

    В современной космологии есть несколько фундаментальных и нерешенных проблем, о которых я хотел бы упомянуть в своей книге. Более того, считается, что эти проблемы являются проблемами всей фундаментальной науки на сегодняшний день.
       К числу этих проблем я отношу загадку темной энергии, загадку темной материи и загадку "большого взрыва".
       Первые две проблемы появились буквально в последние два десятка лет – с тех пор как наблюдательная астрономия обнаружила аномалии в движениях далеких звезд и далеких галактик.
       По поводу загадки темной энергии: до 90-х годов 20-го века принято было считать, что Вселенная расширяется с замедлением – вследствие воздействия гравитации на материю. Но наблюдения показали, что последние несколько миллиардов лет равномерное расширение Вселенной сменилось на ускоренное расширение. Т.е. выглядит это так, как будто некая сила антигравитации начала расталкивать галактики друг от друга на больших космологических расстояниях (более миллиарда световых лет). Лично я не стал бы искать в этом новую физику – вся физика для объяснения ускоренного расширения Вселенной уже содержится в уравнениях Эйнштейна с так называемым лямбда-членом Λ. Лямбда-член – это такая константа в уравнениях Эйнштейна, которая позволяет либо ускорить, либо замедлить, либо стабилизировать расширение Вселенной.
    Смена замедленного расширения Вселенной на ускоренное расширение
    Рисунок 16. (В основе рисунка – изображение проекта WMAP, взятое с сайта NASA)
    Смена замедленного расширения Вселенной на ускоренное расширение.

    Причем предложил ввести лямбда-член в свои уравнения сам Эйнштейн – для стабилизации космологических уравнений. Но потом Эйнштейн отказался от своего лямбда-члена – когда узнал после открытия Хабла, что Вселенная расширяется. Более того, узнав о расширении Вселенной, Эйнштейн заявил что введение им в теорию лямбда-члена является его величайшей ошибкой... До конца своей жизни Эйнштейн так и не узнал, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется ускоренно, и его лямбда-член позволяет объяснить это ускорение естественным образом – без всякой тёмной энергии. Только в конце 90-х годов 20-го века космологи опять вернули лямбда-член в уравнения Эйнштейна – чтобы объяснить с его помощью ускоренное расширение Вселенной в последние 5 миллиардов лет.
       Размерность константы Λ это плотность материи, а её измеренное значение примерно равно 10-29 г/см3 (это чуть меньше средней плотности материи во Вселенной в наше время). Многие противники гипотезы лямбда-члена говорят о том, что лямбда-член мал и непонятно – почему природа выбрала его именно таким, а не другим. Но вот тут они сильно ошибаются. Дело в том, что говорить о малости, или огромности какой-либо физической константы можно только если эта константа безразмерна (т.е. является числом наподобие постоянной тонкой структуры в квантовой механике и не выражается через размерные величины типа сантиметров, или граммов). Но и скорость света c, и гравитационная постоянная G, и лямбда-член Λ являются размерными величинами. И говорить о том, например, что скорость света велика, было бы физически-некорректно. С помощью скорости света, например, теоретики переводят единицы времени в единицы расстояния (и наоборот), или единицы массы в единицы энергии (знаменитая формула Эйнштейна: E = mc2). Т.е. в астрономии и космологии, например, принято измерять расстояния в световых годах, в миллионах и миллиардах световых лет. Поэтому в космологическом масштабе скорость света c – маленькая величина, а в земных масштабах – огромная. Аналогично для гравитационной постоянной G – с её помощью теоретики переводят расстояния в массу и наоборот. Я уже писал об этом выше, когда в разделе Вращающиеся реальные черные дыры объяснял сущность параметра Керра a, который через константы c и G может быть выражен либо как расстояние, либо как масса. В этом смысле известную поговорку "Время это деньги" можно перефразировать: "Время это энергия". А более конкретно: 1 секунда приближенно равна 1053 киловатт часов, а 1 сантиметр приближенно равен 3.43×1042 киловатт часов. Т.е. если перевести из киловатт часов в рубли, то получится, что по космологическим меркам мы ценим наше время очень дёшево.
       Всё тоже самое касается и константы Λ: через константы c и G она может быть выражена как обратный квадрат расстояния и, поэтому, может определять масштаб существующей Вселенной (как её гравитационный радиус). А масштаб это просто единица длины (по определению) и поэтому масштаб не может быть малым, или большим. Причем именно в масштабе расстояния, определяемого лямбда-членом, размеры Вселенной примерно равны единице.
       Наблюдения и вычисления показывают, что в первые миллиарды лет после большого взрыва средняя плотность материи во Вселенной была много больше величины Λ = 10-29 г/см3, и поэтому гравитация материи тогда играла доминирующую роль в расширении – Вселенная расширялась с замедлением, при этом постепенно уменьшая свою среднюю плотность и скорость расширения. А потом, когда средняя плотность вещества Вселенной стала соизмерима с величиной Λ, то замедленное расширение Вселенной сменилось на ускоренное расширение – вследствие относительно большего влияния на гравитацию лямбда-члена (его доминирования над средней плотностью материи).
       Поэтому лично моё мнение таково, что никакой темной энергии не существует, а ускоренное расширение Вселенной логично и просто объясняется наличием лямбда-члена (константы) в уравнениях Эйнштейна.
       Вообще стандартная космологическая ΛCDM-модель Вселенной предполагает, что по массе во Вселенной 68% темной энергии, 27% темной материи и всего 5% обычного (видимого) барионного вещества.
      
       Рассмотрим теперь эффекты темной материи. Темная материя была обнаружена по аномальному вращению звезд на периферии галактик. Т.е. звезды в галактиках двигаются так, как будто галактики являются более тяжелыми, чем они кажутся астрономам – по наличию в них светящейся материи. Отсюда был сделан вывод о наличии в галактиках невидимой (тёмной) материи. Сегодня основной гипотезой принято считать, что темная материя является тяжелыми элементарными частицами WIMP (слабо-взаимодействующие массивные частицы). Но таких частиц до сих пор так и не обнаружили ни на коллайдерах, ни в других экспериментах. Зачем же плодить новые сущности? Лично я считаю, что темная материя состоит из первичных черных дыр, которые кроме гравитации никак себя больше не проявляют. Таких первичных черных дыр (с размерами порядка одного сантиметра) в горячей и плотной Вселенной могло образоваться в достаточном количестве – вскоре после её рождения.
      
       Собственно, загадка "большого взрыва" может быть объяснена образованием новой черно-белой дыры и рождением новой Вселенной, о чем я писал ранее. В этом случае до сингулярности во время такого рождения материя могла и не сжаться – максимальная плотность материи тогда могла ограничиться достаточно большими, но все-таки конечными (и не квантовыми) значениями. Если это было так, то в этом случае нам не нужно будет решать еще одну нерешенную проблему квантовой гравитации.
       Так что не всегда нужно обязательно искать новую физику при появлении новых физических проблем. Иногда и старая физика прекрасно может объяснить новые проблемы...
  21. Первичные черные дыры и астероидная опасность

    Астероидная опасность сегодня является не только одной из самых актуальных научных проблем, но еще и одной из важнейших проблем человеческой цивилизации. Геофизические данные говорят о том, что Земля подвергалась опасным астероидным атакам не регулярно, а через определённые промежутки времени: около 190 млн. лет. Причем эти 190 млн. лет – не постоянный период, а среднее время через которое были астероидные катастрофы. Бывали времена когда астероиды падали на Землю чаще, а бывали, что они падали реже.
       Например Аризонский кратер в США диаметром 1219 метров и глубиной 229 метров возник около 50 тысяч лет назад после падения 50-метрового метеорита; древний ударный кратер Чикшулу́б «демон клещей» диаметром около 180 км и изначальной глубиной до 17–20 км находится на полуострове Юкатан (в Мексике). Предполагается, что кратер Чикшулу́б образовался около 66,5 млн. лет назад в результате удара астероида диаметром около 10 км, по-видимому после этого катаклизма на Земле было очередное массовое вымирание – вымерли динозавры.
       Эти глобальные повторяющиеся события дают основания говорить, что вероятность астероидных (или метеоритных) атак не постоянна во времени и значит зависит от внешних (по отношению к Солнечной системе) причин.
       Такой внешней причиной может быть случайное попадание в Солнечную систему тяжелого тела, масса которого соизмерима с массой одной из планет. Пролет такого тела через Солнечную систему не окажет большого влияния на движение планет, масса которых соизмерима с массой тела. Но астероиды гораздо легче планет и их орбиты "почувствуют" изменение гравитации, связанное с притяжением к новому массивному телу.
       В Солнечной системе существуют два астероидных пояса: главный пояс астероидов и пояс Койпера, кроме этого за границами Солнечной системы есть еще астероидное облако Оорта. В астероидных поясах астероиды двигаются по более менее стационарным орбитам, которые сформировались за время эволюции Солнечной системы. Но если рядом с поясом астероидов пролетит достаточно тяжелое тело, то его гравитация нарушит сформировавшуюся стационарность в движении астероидов. После этого часть астероидов начнет двигаться достаточно хаотически, их орбиты станут опасными и часть из них упадет на планеты, прежде чем стационарность астероидного пояса восстановится опять.
       Если бы это внешнее тело было планетой или звездой, то астрономы скорее всего уже заметили бы его. В предыдущем разделе было написано про гипотезу, утверждающую что существенная часть темной материи в галактиках может быть первичными черными дырами, которые образовались в эпоху ранней и очень плотной Вселенной. В этом случае такие первичные черные дыры могут периодически залетать в Солнечную систему, вызывая своей гравитацией сбой в движении астероидов.
       В пользу этой гипотезы также говорит и то обстоятельство, что заметить такие первичные черные дыры (масса которых соизмерима с массой Земли, а размер порядка одного сантиметра) практически никак невозможно. В этом случае предугадать такие катастрофические события также практически никак невозможно. Наблюдение за орбитами известных астероидов в этом случае не даст гарантии безопасности – сбой орбит астероидов при вышеописанном сценарии будет слишком внезапным и массовым для того чтобы у людей было достаточно времени для отражения удара астероида...
       Пожалуй единственным вариантом устранения астероидной угрозы могло бы стать решение, предложенное продюсерами фильма Армагеддон. С той только разницей, что опасный астероид бурить совершенно необязательно – достаточно будет ядерного взрыва в нужный момент, в конкретной точке его поверхности. Реактивный импульс от ядерного взрыва будет способен изменить направление движения астероида и сделать его движение безопасным для Земли. Ученые рассчитали, что отклоняющий импульс от взрыва на поверхности астероида будет примерно всего в два раза меньше, чем соответствующий импульс от такого же взрыва в глубине астероида, т.е. взрыва на поверхности будет достаточно для отклонения орбиты опасного астероида.
       Однако для оперативного отклонения орбиты опасного астероида необходимы готовые для такого случая ядерные заряды на орбите Земли. И тут главной проблемой становится не финансирование проекта, а международный запрет на выведение и использование ядерного оружия в космосе. Политики разных стран пока так и не смогли между собой договориться о том, что для них важнее: ядерная безопасность, или астероидная угроза. К сожалению, альтернативного и эффективного решения проблемы астероидной опасности пока не придумано, поэтому всё на что остается надеяться человечеству – это то, что в ближайшие десятилетия Армагеддона не случится...
  22. Послесловие

    Наконец мой обзор подошел к концу, я надеюсь, что он был интересен и познавателен.
       Изначально содержание касалось только кротовых нор, но по ходу выяснилось, что реальные черные дыры также являются кротовыми норами, но проходимыми только в одну сторону. При этом черные дыры (в отличие от кротовых нор) считаются достоверно открытыми в астрономии объектами, кроме этого черные дыры лишены многих теоретических недостатков, присущих кротовым норам.
       Изучение таких «релятивистских» объектов позволяет прояснить многие сопутствующие вопросы физики и естествознания: парадоксы машины времени и вечного двигателя, фантомной материи, Мультивселенной, космологии, астероидной опасности и др...

       Напоследок я хотел бы коснуться еще одного вопроса: что нужно для того чтобы стать профессиональным физиком-теоретиком и насколько это сложно. Ну во-первых, к этому делу у человека должно быть призвание еще со средней школы, поскольку учат на теорфизиков в немногих вузах и туда обычно не просто поступить. А потом еще обучение в аспирантуре и защита кандидатской диссертации.

    Легко-ли создать новую теорию?

    Обычно на это уходит вся жизнь профессионального ученого. Например для того, чтобы рассчитать только одну какую-то модель в рамках современной теории обычно нужно потратить несколько месяцев напряженной работы (иногда несколько недель, а иногда и несколько лет). А вся законченная и самосогласованная теория обычно содержит десятки разных моделей. К примеру, на исследование общей теории относительности (которое до сих пор не закончено) потратили свои жизни сотни талантливых ученых, и я очень надеюсь, что это было сделано не напрасно.

    Для чего столько усилий и где это все может пригодиться?

    – Во все времена фундаментальные исследования не давали практической пользы в течение (как минимум) нескольких первых десятилетий, а иногда этот период исчислялся веками. Ну например, прежде чем человек смог построить и использовать в промышленности самый обычный электрический двигатель (который сейчас можно встретить где угодно – от кофемолки и пылесоса до электропоездов и подъемных кранов), потребовалось создать теорию магнитоэлектрической индукции (Фарадей, Якоби и т.д.). И прошли десятилетия с момента открытия отклонения рамки с током в магнитном поле до промышленного использования электродвигателей. От создания теории электромагнитных волн до использования первых радиостанций также прошли десятилетия. Вряд-ли в те далекие времена ученые полностью представляли себе весь масштаб и будущую пользу от своих открытий. Что уж тогда говорить о высокотехнологичных открытиях (к примеру) в областях наноэлектроники или генетики.
       В области астрономии (которая зародилась еще в древнем мире, а математические определения обрела после открытий Коперника, Кеплера и др.) широкое практическое применение началось только в эпоху космонавтики, т.е. спустя столетия. Аналогично и в ситуации с черными дырами и кротовыми норами – я думаю, что должны пройти столетия, прежде чем человечество найдет способ широко использовать на практике эти знания...
       Есть еще три причины, по которым необходимо разбираться в данной теме:
       Во-первых, сегодня общая теория относительности является основой стандартной модели космологии, но ученые до конца еще не уверены в справедливости этой теории и этой модели для всех явлений космоса. Лишний раз подтвердить эти наши предположения (или их опровергнуть) можно только на космологических (вселенских) масштабах или с помощью изучения физических эффектов вблизи самой границы черных дыр или кротовых нор. Эта часть науки о космосе называется ультрарелятивистской астрофизикой, она может привести нас в итоге к новой физике, к качественно новым теориям гравитации.
       Во-вторых, черные дыры (черно-белые дыры) являются одним из основных источников энергии в активных ядрах галактик в нашей Вселенной. В частности, это основные источники, дающие энергию для квазаров. То есть материя из аккреционного диска вокруг центральной в галактике сверхмассивной черной дыры засасывается внутрь, при этом в результате сложных и разнообразных промежуточных процессов выделяется энергия, часть которой мы наблюдаем в виде светящейся струи от квазара (джета).
       В-третьих, черные дыры и кротовые норы, возможно, является единственным типом объектов со сложной топологией, которые связывают нашу Вселенную с другими Вселенными, а также могут быть причиной существования сингулярностей. При этом без изучения черных дыр невозможно изучение и кротовых нор. Поэтому, если мы хотим изучать сложную топологию, то сначала мы должны изучить теорию гравитации.

Обсудить эту книгу можно здесь, здесь, или здесь.
При использовании любых материалов этого сайта ссылка на автора и на сайт http://shatskiyalex.ru обязательны.